SOUHRN AUTRORSKÝCH PŘÍSPĚVKŮ AUTHORS PAPERS PROCEEDINGS

Transkript

1

2 UNIVERZITA J. E. PURKYNĚ V ÚSTÍ NAD LABEM FAKULTA VÝROBNÍCH TECHNOLOGIÍ A MANAGEMENTU ČESKÁ SPOLEČNOST STROJÍRENSKÉ TECHNOLOGIE PRACOVIŠTĚ STROJÍRENSKÉ TECHNOLOGIE A OBRÁBĚNÍ ČESKÝCH VYSOKÝCH ŠKOL 4. Mezinárodní konference ICTKI 2012 Nové poznatky v technologiích a technologické informace th International Conference ICTKI 2012 New Technology Knowledge and Information 2012 Ústí nad Labem, Česká republika Ústí nad Labem Czech Republic SOUHRN AUTRORSKÝCH PŘÍSPĚVKŮ AUTHORS Pořádáno za podpory Organized with the support of

3 Vědecký výbor konference Scientific Committee of Conference prof. Ing. Stanislaw Adamczak, DrSc. Politechnika Kielce, Polsko prof. Ing. Stanislaw Borkowski, DrSc. Politechnika Częstochowska, Polsko prof. Ing. Milan Brožek, CSc. ČZU v Praze, Česko prof. Ing. Bohumil Bumbálek, CSc. VUT Brno, Česko doc. Ing. Naděžda Čuboňová, Ph.D. Žilinská univerzita, Žilina, Slovensko doc. Ing. Jan Duda Polytechnika Krakowska, Polsko prof. Ing. Jiří Hrubý, CSc. VŠB TU v Ostravě prof. Ing. Karel Jandečka, CSc. ZČU v Plzni, Česko doc. Ing. Jan Jersák, CSc. TU v Liberci, Česko doc. Ing. Jan Kalous, CSc. ZČU v Plzni, Česko prof. Ing. Karel Kocman, DrSc. VUT, Brno, Česko prof. Dr. Ing. Janos Kundrák, DrSc. University of Miskolc, Hungary prof. Ing. Ivan Kuric,CSc. Žilinská univerzita, Žilina, Slovensko prof. Ing. Stanislav Legutko, DrSc. Polytechnika Poznańska, Polsko prof. Ing. Imrich Lukovics, CSc. UTB Zlín, Česko prof. Ing. Jan Mádl, CSc. ČVUT Praha, FVTM UJEP, Ústí nad Labem, Česko Dr. Michael Morgan John Mores University, Liverpool Anglie prof. Ing. Iva Nová, CSc. TU v Liberci, Česko prof. Ing. Jozef Novák-Marcinčin, CSc. Fakulta výrobních technologií v Prešove, Slovensko prof. Ing. Michal Obmaščík, CSc. Trenčianská univerzita v Trenčíne, Slovensko prof. Dr. Gábor Páy, Ph.D. Engineering and Agriculture Faculty, Nyíregyháza, Hungary Dr. George J. Trmal University of the West of England, Bristol, Anglie prof. Dr. h. c. Ing. Karol Vasilko, DrSc. Technická univerzita Košice, Slovensko Odborný garant konference Scholarly Guarantee of Conference prof. Ing. Jan Mádl, CSc. prof. Ing. Karel Kocman, DrSc.

4 Organizační výbor konference Organizational Committee of Conference prof. Dr. Ing. František Holešovský, FVTM UJEP Ústí n. Labem doc. Ing. Štefan Michna, PhD., FVTM UJEP Ústí n. Labem Ing. Nataša Náprstková, Ph.D., FVTM UJEP Ústí n. Labem Ing. Sylvia Kuśmierczak, PhD., FVTM UJEP Ústí n. Labem Ing. Petr Majrich, FVTM UJEP Ústí n. Labem Ing. Martin Novák, Ph.D., FVTM UJEP Ústí n. Labem Ing. Viktorie Weiss, Ph.D., FVTM UJEP Ústí n. Labem Ing. Michal Lattner, FVTM UJEP Ústí n. Labem Ing. Luděk Růžička, FVTM UJEP Ústí n. Labem Ing. Jaroslava Svobodová, FVTM UJEP Ústí n. Labem Jaromír Hájek, FVTM UJEP Ústí n. Labem Editor Editor Ing. Martin Novák, Ph.D Katedra technologií a materiálového inženýrství, Fakulta výrobních technologií a managementu, Univerzita J. E. Purkyně v Ústí nad Labem Department of Technology and Material Engineering, Faculty of Production Technology and Management, J. E. Purkyně University in Ústi nad Labem, Czech Republic. ISBN: Publikováno Place of Issue Ústí nad Labem Vydavatel Publisher Unverzita J. E. Purkyně v Ústí n. Labem (UJEP) Forma Form CD- ROM Vyšlo Published Leden January 2012

5 10 Utilization of Open Source Application in Area of Augmented Reality Assembling Processes Ing. Jozef Barna, Ing. Veronika Fečová, prof. Ing. Jozef Novák-Marcinčin PhD., Ing. Jozef Török Faculty of Manufacturing Technologies with a seat in Prešov 16 Využitie cenovo dostupnejších softvérových prostriedkov v procese digitalizácie Ing. Jozef Barna, Ing. Veronika Fečová, prof. Ing. Jozef Novák-Marcinčin PhD., Ing. Jozef Török Faculty of Manufacturing Technologies with a seat in Prešov 25 CAM in the Production of Casting Patterns MSc. Ondřej Bílek, Ph.D., MSc. Luboš Rokyta, MSc. Jaroslav Šimoník Tomas Bata University in Zlín, Department of Production Engineering 31 Objektivizace dat pro plánování výroby metodikou REFA Bozděch Jan, Duchek Vladimír, Ing. Fakulta strojní, ZČU v Plzni 39 Využitelnost skladovacích prostor v TTS Polak s.r.o. Ing. Burešová Antonie CVUT v Praze, Fakulta strojní. 42 Study of Deformation Processes after Hard Turning through Acoustic Emission Doc. Ing. Mária Čilliková, PhD., prof. Dr. Ing. Miroslav Neslušan, prof. Ing. Anna Mičietová, PhD., Ing. Jozef Mrázik Department of Machining and Manufacturing Engineering, Faculty of Mechanical Engineering, University of Žilina 48 Počítačová podpora pro programování řídícího systému SINUMERIK 840D Čuboňová Nadežda, doc. Ing. PhD. Katedra automatizácie a výrobných systémov, Strojnícka fakulta, Žilinská univerzita v Žiline 54 Povlakované součásti zemědělské techniky pracující v podmínkách abrazivního opotřebení Milan Dian, Ing., Ph.D. Univerzita J. E. Purkyně v Ústí nad Labem, Fakulta výrobních technologií a managementu 59 Effect of the cutting tool wear on the ploughing force values Dugin Andrey, M.Sc., Prof. Popov Alexey, DrSc. Department of Machining and Assembly Faculty of Mechanical Engineering Technical University of Liberec 65 Zpracování zinkového popela pyrometalurgicky postupy Hlucháňová Blanka, Ing.,Trpčevská Jarmila, doc. Ing. CSc., Pirošková Jana, Ing., Laubertová Martina, Ing. PhD. Technická univerzita v Košiciach, Hutnícka fakulta, Kat. neželezných kovov a spracovania odpadov

6 70 Vliv dynamického vyvážení brousicího kotouče na drsnost povrchu obrobených součástí Jersák Jan, doc. Ing. CSc. katedra obrábění a montáže, TU v Liberci 77 Nástrojové oceli pro výrobu razidel a jejich vhodnost pro povlakování Kalincová Daniela, Ing., PhD., Hanes Tomáš, Ing. Fakulta environmentálnej a výrobnej techniky, TU vo Zvolene Náprstková, Nataša, Ing, Ph.D. Fakulta výrobních technologií a managementu, UJEP v Ústí n. Labem 82 Využití protokolu STEP a STEP NC pri programování CNC stroju Ján Kardoš, Ing., Tomáš Michalcík, Ing., Cubonová Nadežda, doc. Ing. PhD. Katedra automatizácie a výrobných systémov, Strojnícka fakulta, Žilinská univerzita v Žiline 86 Mechanické vlastnosti a two-body abrazívní opotřebení polymerních částicových kompozitů Kejval Jiří, Ing., Müller Miroslav, doc., Ing., Ph.D, Henc Petr, Ing. katedra materiálu a strojírenské technologie TF ČZU v Praze 92 Integrita povrchu dynamicky namáhaných komponent dekantační odstředivky Kolařík Kamil, Ing. Ph.D. Katedra inženýrství pevných látek, Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská, ČVUT v Praze Beránek Libor, Ing. Ph.D. Ústav technologie obrábění, projektování a metrologie, Fakulta strojní, ČVUT v Praze 102 Experimental Verification of FEM Simulation of GMAW Welding Kovanda Karel, Holub Lukáš, Kolařík Ladislav, Kolaříková Marie, Vondrouš Petr Czech Technical University in Prague, Faculty of Mechanical Engineering 107 Optimální skladovaní materiálu pro co nejvyšší možnou výtěžnost Krajčovičová Mária Ing., PhD. Katedra drevárskych strojov a zariadení, Fakulta environmentálnej a výrobnej techniky, Technická univerzita vo Zvolene 113 Investigation of Production Profitability within the ERP System MSc. Eng. Kujawa Anna, Prof. DSc. PhD. MSc. Eng.Stanislaw Legutko Faculty of Mechanical Engineering and Management, Poznan University of Technology 119 Technologické aspekty při výrobě miniaturizovaný součástí Kurňava Tomáš, Ing., Stančeková Dana, doc. Ing. PhD., Czán, Andrej, doc. Ing. PhD. Fakulta Strojnícka, Katedra obrábania a výrobnej techniky, Žilinská Univerzita 124 Návrh technologie získávání kovů z vyřazených mobilních telefonů Laubertová Martina, Ing., PhD., Trpčevská Jarmila, Doc., Ing., CSc. Katedra neželezných kovov a spracovania odpadov. Hutnícka fakulta, TU v Košiciach Novický Marián, Ing. MachTrade, s.r.o. Sereď

7 132 The influence of process fluids from PARAMO a.s. on the surface roughness in turning Licek Roman, Ing., Popov Alexey, prof. Dr. Ing. Department of Machining and Assembly, Faculty of Mechanical Engineering, Technical University of Liberec 140 Laser Machining of Materials Prof. Imrich Lukovics, MSc., Ph.D. Department of Production Engineering, Faculty of Technology, Tomas Bata University in Zlín Martina Malachova, MSc., M.A. Technical University of Ostrava, Faculty of Mechanical Engineering, Ostrava 145 Metodika sledování délkové roztažnosti a stanovení součinitele teplotní roztažnosti vybraných slévárenských slitin Machuta Jiří, Ing. Ph.D., Nová Iva, prof. Ing. CSc. Fakulta strojní, Katedra strojírenské technologie, TU v Liberci 151 Application of Progressive Materials for Rapid Prototyping Technology Ing. Ľudmila Nováková-Marcinčinová, Ing. Miroslav Janák, PhD. Faculty of Manufacturing Technologies, Technical University of Košice, Slovakia 155 Impact of technical diagnostics interval on machinery maintenance Ing. Karel Mayer, Ing. Martin Pexa, Ph.D., Ing. Jindřich Pavlů, Ing. Pavel Gajdoš Faculty of Engineering, Czech University of Life Sciences Prague 160 Návrh konstrukce kuželového klínu na štípání dřeva z hlediska materiálu a silového zatížení Mečiarová Júlia, Ing. PhD. Katedra výrobných technológií a materiálov, FEVT TU vo Zvolene Minárik Marián, Ing. PhD. Katedra mechaniky a strojníctva, FEVT TU vo Zvolene 166 Zpevnění vznikající při válcování nerezových trubek Náprstková, Nataša, Ing., Ph.D., Richter, Zdeněk, Ing. Fakulta výrobních technologií a managementu, UJEP v Ústí n. L. 174 Application of Barkhausen Noise for Analysis of Surface Integrity after Hard Turning Prof. Dr. Ing. Miroslav Neslušan, Ing. Vladislav Ochodek, Ing. Martin Rosipal, Department of Machining and Manufacturing Engineering, Faculty of Mechanical Engineering, University of Žilina Ing. Kamil Kolařík, PhD. Katedra inženýrství pevných látek, Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská, ČVUT v Praze 180 Drsnost povrchu pri broušení kalených ocelí Martin Novák, Ing., Ph.D. Katedra technologií a materiálového inženýrství, FVTM, UJEP v Ústí n. Labem

8 189 Increasing of Product Quality Produced by Rapid Prototyping Technology Prof. Ing. Jozef Novák-Marcinčin, PhD., Ing. Miroslav Janák, PhD., Ing. Ľudmila NovákováMarcinčinová Faculty of Manufacturing Technologies, Technical University of Košice 194 The determination of mating surfaces for internal worm gear pairs Prof. Gábor PÁY, Ph.D University College of Nyíregyháza, Hungary Prof. emer. Eugen PAY, Dr.H.C North University of Baia Mare, Romania 198 Problematika posuzování spolehlivosti lidského činitele v pracovním systému Václava Pokorná, Ing. ZČU v Plzni, Fakulta strojní, katedra technologie obrábění 204 Design of a Mould for Pressure casting with use of the Catia System Lubos Rokyta, MSc., Ondrej Bilek, MSc., PhD. Department of Production Engineering, Faculty of Technology, Tomas Bata University in Zlín 208 Výzkum vlivu poměru brusiv na jakost povrchu při broušení Rokyta Luboš, Ing., Lukovics Imrich, prof. Ing., CSc. Ústav výrobního inženýrství, FT UTB ve Zlíně 212 Aplikace pro zvýšení efektivity návrhu monolitního šroubovitého vrtáku v prostředí CATIA V5 Roud Pavel, Ing., Česáková Ivana, Ing, Sklenička Josef, Ing, Zetek, Miroslav, Ing, Ph.D. Katedra technologie obrábění, ZČU v Plzni Kožmín, Pavel, Ing, Ph.D. HOFMEISTER s.r.o., Plzeň 219 Processing engineering of large composites structures using low-pressure vacuum infusion Rusnáková, Soňa, doc. Ing. Ph.D., Žaludek, Milan, Ing. Ph.D. Department of Production Engineering, FT UTB ve Zlíně Bakošová, Dana, Ing, Ph.D. Department of Industrial Technologies and Materials, FPT in Púchov, TnUAD 224 Rozptyl velikostí opotřebení výměnných břitových destiček ze slinutého karbidu Růžička Luděk, Ing., Mádl Jan, Prof. Ing. CSc. Fakulta výrobních technologií a managementu, Univerzita J. E. Purkyně v Ústí nad Labem 232 Intensification of Thermal Cutting Metallic Materials Assoc. Prof. Dana Stančeková, MSc.,PhD., Peter Ščotka, MSc., Tomaš Nosák, MSc. University of Zilina, Faculty of Mechanical engineering, Department of Machining and Manufacturing Technology

9 237 Použitie RCM pre návrh obsahu údržby podvozka GP 200 osobných železničných vozňov Stuchlý Vladimír, Doc. Ing. PhD. Strojnícka fakulta Žilinskej univerzity, Katedra dopravnej a manipulačnej techniky 245 Laser Machining and Temperature Field Simulation Using COSMOS / M Software Sýkorová Libuše, Assoc. Prof., MSc., Ph.D.; Malachová Martina, MSc., MA Tomas Bata Univerzity in Zlín, Faculty of Technology, Department of Production Engineering 251 Vyhodnocení stavu povrchové vrstvy střižníku z rychlořezné oceli VANADIS 23 po elektrojiskrovém řezání drátovou elektrodou Švecová Vendula, Ing., Madaj Martin, Ing. Ústav strojírenské technologie, FSI VUT v Brně 256 Evaluation of roughness of the AlMg3 cut surface after abrasive water jet processing Miroslava Tavodova, MSc., PhD. Faculty of Environmental and Manufacturing Technology, Department of Manufacturing Technology and Materials, Technical University in Zvolen 265 Polymerní částicové kompozity na bázi odpadu s obsahem oxidu křemičitého Petr Valášek, Ing., Miroslav Müller, Doc. Ing., Ph.D., Marina Tkachenko, Ing. Katedra materiálu a strojírenské technologie, TF, ČZU v Praze 271 Two local extremes of cutting speed prof. Dr. h. c. Ing. Karol Vasilko, DrSc., Ing. Anna Macurová FVT so sídlom v Prešove, TU v Košiciach 280 Vliv slévárenských forem na kvalitu povrchu a strukturu slitiny AlZn5,5Mg2,5Cu1,5 Weiss Viktorie, Ph.D. FVTM, UJEP v Ústí nad Labem, Česká republika 286 Benefits of implementing E-procurement Samir Zic, Goran Gregov Faculty of Engineering, University of Rijeka, Vukovarska 58, Rijeka, Croatia Jasmina Zic Vorax d.o.o., Vukovarska 68, Rijeka, Croatia 290 Vliv technologie obrábění na únosnost vrubové součásti Lattner Michal, Ing., Holešovský František, prof. Dr. Ing. Katedra technologií a materiálového inženýrství, FVTM UJEP v Ústí nad Labem

10 Utilization of Open Source Application in Area of Augmented Reality Assembling Processes Ing. Jozef Barna, Ing. Veronika Fečová, prof. Ing. Jozef Novák-Marcinčin PhD., Ing. Jozef Török Faculty of Manufacturing Technologies with a seat in Prešov/Department of Production Technologies, Bayerova 1, Prešov, Slovakia, jozef.barna@tuke.sk Introduction into problems This chapter investigates the establishing process of virtual tool that in its logical core utilizes an approach based on the open source philosophy exploited for the work with the environment of augmented reality and its application in assembling processes. The traditional possibilities of how the engineer can use tools of augmented reality in form of normal commercial devices to collect the information about position of observed object in the working environment concern special devices with general structure formed by elements of motion tracking systems or technology of visual markers. In the beginning, the chapter briefly focuses on general problems in the application processes of virtual components and logical scripts in the area of the augmented reality. In following phase it provides fundamental philosophy and logical steps of new presented application of the augmented reality whereupon some samples can be provided created by means of logical operations and virtual elements from the open source environment. In the final step of this article chapter is clarified application process for creation and development of virtual software and hardware elements that are necessary for work in the augmented reality environment. Key words: Augmented Reality, Virtual environment, Open Source 1 Introduction This article explains general problems and structural logical concept of the assembling section for a kind of the augmented reality (AR) applications which works on the principles of open source philosophy. The AR is scientific field which interprets processes where real environment is connected together by virtual elements and this new conjunction provides the augmented tool in form of a virtual working space for engineers. The first point is focused on the general problems in the application processes of virtual components and logical scripts in the area of the AR. However, it can quickly describe the current situation in AR of assembling processes and gives visual imagine by enclose figures. By means of them, it can be show advantages and disadvantages of these mentioned processes. On the base of the mentioned information and attributes, the last parts of paper observe real examples of possibilities to create AR by virtual environment which is offered by open source platform. The conclusion gives a quickly recapitulation of paper steps and it is focused on the special programming packet which improves elements for the increasing entire quality of the visual area of the AR. 2 The basic principles of AR application It is a reciprocal combination of the real scene observed by the camera and virtual scenes generated by the logical core of computer. Based on the previous information it is easy to say that possibilities of AR find the utilization in many industrial spheres like as aeronautics, automobile industry, manufacturing etc. [1, 2] Assembling process of AR offers special kind of virtual tools which are used by engineering community and gives powerful elements and hardware equipment for creation of construction ideas which comprises many assembling parts. Final assembling solution obtains all functional parts of assembly without montage mistakes. The assembling application of AR was developed to specify the exact position and orientation for assembling process by humane or robotic hand. 2.1 General algorithm of AR In the first point of this mentioned process the single 3D parts (entries from assembly list) need to be created and defined by tools of CAD system. These applications are using special modules which are implemented in the logical core of high CA systems. The 3D model comprises necessary information about its own properties (geometrical value and shape of 3D parts, orientation and position of all 3D parts, mass properties, material and structural characteristic). These data packets are continually sending in the special comparing section of the programming core. By means of it the 3D CAD model will be filled with necessary information about geometry and structural condition. The result of these processes, the data packet is ready to exports on entry area of systems of AR. The single virtual 3D part needs to obtain information about its own position and orientation value which is used for fixing process on the particular place of the auxiliary model in the real environment. The result of all mentioned steps is logical algorithm which allows seeing a data flow between single blocks. These blocks are collected and presented on the (Fig.1). Nowadays application allows the engineer to use different methods where the characteristic feature lies in a technology of displaying of the assembling positioning point. This group of the displaying process technology includes general methods such as laser visualization method of displaying the final model boundary edge and assembling augmented reality process. 10

11 Fig. 1 Logical algorithm of AR 2.2 Current situation in an area of AR assembling process VTT s Augmented Reality group started developing virtual application for AR games and entertainment applications. This mentioned engineering group provides the powerfully tool which is used for displaying assembling process of the AR. The software element was designed to gives important information about assembling processes where the engineer needs to know exact position and numerical order for the single parts of the entire assembly structure. Camera provides a real video from working space and exact data about the position and orientation of the working place are obtained from markers which are on the plane of the working place. Observing marker has its own mathematical matrix which comprise important data packet about its appearance and all variants of its rotation. Marker is made by two different colors, ordinary black and white for better comparing during the tracking process. Comparing loop takes a signal from camera in order to compare signal with marker matrix. On the (Fig.2) is basic example of marker which general structure is made by black and white color. [9] Software of AR has to include an augmented core and library for comparing information packet which are harvested during the observing processes of markers position. On the base of this information the application know the exact position for working area in the real time during the assembling process. VTT s Augmented Reality application for assembling process allows engineer to managed assembling process on the working table only around its own an axis of rotation. The (Fig. 2) offers a view on particular example of AR where the marker situated on the desk provide position information for motion capture. [9] Fig. 2 The example of marker and example of AR assembling process which is displayed on the screen (the virtual parts are covered by real view in the working place by marker) 11

12 Next example from industrial praxis can be found in 3D laser projection. It is accomplished by steering a single laser beam accurately through a series of specific points in space. The laser beam is directed at a pair of mirrors that are powered by a set of galvanometers called computer controlled servo motors which are capable of extremely rapid movement. The produced effect is a highly visible, glowing three dimensional template that is used as a location guide during a manufacturing process. The company Laser Projection Technologies Inc use rapid characteristic of laser beam. Their systems replace conventional assembly methods and hard manufacturing templates in a wide variety of applications. 3D laser projectors use 3D component or part placement, paint masking and templates creating, vehicle and 3D items of assembly structure and core placement. The entire steps of this technology are described on the (Fig.3) and shows concept of method of laser projection. [10] Fig. 3 The example of 3D laser projection method where the boundary edge is appeared by single laser beam 3 The real example of AR As mentioned in previous steps of paper, an AR system generates complex view where the virtual areas are covered by real environment and offers the basic working place for the engineer. Assembling process of AR has new special tool for the engineering area which provides strong elements and hardware components for creation of construction ideas. Final assembling proposal include all functional 3D items of assembly without montage mistakes. The assembling application of AR was developed to determine the exact position and orientation for assembling process. Thanks to its possibilities if finds the utilization in many industrial spheres. The problem that must be solved during this visualization step is comprised of two underling causes. The first one has explanation in transformation processes of three-dimensional environment into two-dimensional image on the display. The main task of second one is necessary to knows exact position values of real basic coordinate system of general working table. [1, 3] Many companies use variable devices for observing an exact position of working area. These techniques can be divided into these main groups: Motion capture by tracking sensors Motion capture by camera (markers, color) Laser tracking Tracking devices 3.1 Tracking devices The first step in developing process was creation special device for adjusting of exact position of the operating desk in the working space. This element is described as device which gives possibilities to manage the process during the realization of whatever manufacturing situation. This new device for augmented reality that is outlined as special positioning table which is able to adjust to an exact position of the working desk not only by using the computer interface and its own logical commands but optionally also by manual changes. Exact information about a position of the operating desk are obtained in real time during the proc- 12

13 ess from special sensors that utilize the essential idea of possibility to accumulate the changes of orientation values in the real environment (Fig.4). First sensor allows the collection and comparing in logical core of software in order to manage the data packets which comprise values about the spatial change of the desk position (X, Y, Z). Second one provides information about rotary motion around the main axis of rotation which is in the center of operating desk. Fig. 4 Laboratory of AR for assembling processes where the 3D part is moved on the virtual trajectory (real and virtual part in the same environment) a) final position for the item 1, b) final position for the next item 2, 3.2 The algorithm of open source application A process called visual scripting was used for developing procedures and programming orders for the work with logical behavior loops in open source virtual environment. By using these tools, the application allows engineer to manage an entire data flow between different logical cores of the application (Fig.5). Next section provides more detailed view on the single logical areas where the necessary data are collected and compared with values from virtual arrays and then they are sent to the displaying section of the AR. [4, 5] Fig. 5 Basic logical algorithm of application of Augmented Reality built on open source idea In the following phase the general processes and logical steps of new application are described in the theoretical level. The application consists of the 4 main logical levels where the data packets come not only from inner computer elements but also from outer devices such as sensors and measuring devices. First of these loops observes the button section which gives information about the confirming processes. By means of these buttons the logical loop called displaying section tarts viewing process (initial and final position). 13

14 Next loop consists of two basic areas (area for testing and comparing, area for position setting). Data packet from these mentioned areas include information about the names of all virtual items and their relevant values of initial vectors together with information about final parameters of position. Then the collected data from outer sensors are sent to the area for testing and comparing with each other and also to area for setting of position (initial, final one). [5, 6] On the basis of these processes, all new information of position and orientation are sent again into the logical core of the application where the newly received parameters are tested, compared and evaluated between each other. After that, the displaying section is able to see the motion process of virtual item according to its trajectory. The entire process of AR assembling is presented on the (Fig.4) and (Fig.6) where the 3D part is moved on the virtual trajectory and offers exact value about final position for each part (real and virtual part in the same environment). For better understanding the (Fig.6) gives view on improvement elements of application where each part has different color and it allows to create assembly more clearly without mistakes. [7,8] Fig. 6 AR process: c) initial position for next item 3, d) final position for the item 3and example of assembly process based on parts colours differences 4 Conclusion This paper deals with area of implementation possibilities of augmented reality for the purposes connected to the sphere of assembling structures creation. The first section presents a new trend and current situation in an area of AR assembling process. From middle to end part of article, pages are focused on the real application not only from commercial side but also from open source platform. It concerns software issues reflecting the model geometry (single 3D items) as well as displaying of final boundaries for all geometry shape of models of the whole structure. Created application was focused on the particular part of the problem where engineer needs to know exact positions of single 3D component of assembly structure in the real environment eventually with respect to auxiliary object. Main feature of prepared software application is utilization of motion tracking system based on the working principles of capture markers. Implementation of augmented reality elements in this manufacturing area shows that these problems are free to be developed and their solutions realized in many industrial spheres. Acknowledgements Ministry of Education, Science, Research and Sport of SR supported this work, contract VEGA No. 1/0036/09, KEGA No TUKE-4/2010 and ITMS project References 14

15 [1] Ong, S. K.; Nee, A. Y. C. (2004). Virtual and Augmented Reality Applications in Manufacturing. SpringerVerlag, ISBN , London. [2] Vallino, J; Kutulakos, K. N. (2001). Augmenting reality using affine object representations. Fundamentals of Weareable Computers and Augmented Reality. Barfield W. and Caudell T. (Ed.), p , Lawrence Erlbaum Assoc. Publ., Mahwah, ISBN [3] Ong, S. K.; Pang,Y.; Nee, A. Y. C. Augmented Reality Aided Assembly Design and Planning, Annals of the CIRP Vol. 56/1/2007, Innovation in Manufacturing Systems and Technology, Singapore-MIT Alliance, Singapore,Mechanical Engineering Department, National University of Singapore, Singapore, [4] Marcinčin, J. N, Barna, J. Visualisation Technologies in the Process of Making Composite Structures. In: Trends in the Development of Machinery and Associated Technology, Vol. 14, No. 1, University of Zenica, 2010, pp , ISSN [5] Marcinčin, J. N, Barna, J. CA Systems Implementation Options in the Design Process of Composite Parts. In: Proceedings of the 10th International Scientific Conference New Ways in Manufacturing Technologies, FVT TU, Prešov, 2010, p , ISBN [6] Barna, J. CEURSIS 2010 : the international conference of the carpathian euro-region specialists in industrial systems : 8th edition : proceedings : May, 2010, Baia Mare. - Baia Mare : North University, 2010 P ISBN [7] Barna, J. Automation in Production Planning and Manufacturing: 12th International Scientific Conference: May 2011, Žilina - Turčianske Teplice, Slov. - Žilina : Vedecko-technická spoločnosť pri Žilinskej univerzite, 2011 S ISBN [8] Kočiško, M.; Janák, M. (2008) Creation Method of Visual Disassembly Procedure. Journal CA Systems in Production Planning, Vol. 9, No. 1, pp , ISSN [9] [10] 15

16 Využitie cenovo dostupnejších softvérových prostriedkov v procese digitalizácie Barna Jozef, Ing., Katedra výrobných technológií, FVT TU Košice so sídlom v Prešove Török Jozef, Ing., Katedra výrobných technológií, FVT TU Košice so sídlom v Prešove Veronika Fečová, Ing., Katedra výrobných technológií, FVT TU Košice so sídlom v Prešove Novák-Marcinčín Jozef, prof. Ing. PhD., Katedra výrobných technológií, FVT TU Košice so sídlom v Prešove V technickej praxi sa prenos tvarov skutočných telies do digitálnej podoby teší stále väčšej obľube. Jedným z najčastejších prostriedkov reverzného inžinierstva je 3D laserová digitalizácia, ktorá je ešte stále veľmi nákladná z pohľadu investície do potrebného hardvéru. Nové zariadenia sú čoraz efektívnejšie a presnejšie, ale ich vysoká cena klesá len veľmi pomaly. Malé firmy si ich často nemôžu dovoliť, nehovoriac o bežnom vlastníkovi počítača. Tento článok ponúka náhľad na problematiku 3D laserovej digitalizácie s využitím cenovo prijateľnejšieho prostriedku v tomto procese, konkrétne softvéru DAVID, pričom toto alternatívne riešenie ponúka porovnateľnú presnosť a kvalitu nasnímaného povrchu súčastí ako mnohonásobne drahšie konkurenčné zariadenia. Kľúčové slová: 3D skener, digitalizácia, DAVID 1 Úvod Digitalizácia vo všeobecnosti je proces, pri ktorom sa prevádzajú reálne objekty do digitálnej podoby pričom prostriedkom digitalizácie sú rôzne snímacie zariadenia, pre túto problematiku presnejšie 3D skenery. Na 3D digitalizáciu jestvuje množstvo zariadení s rôznymi špecifikáciami. V princípe 3D skenery, podľa spôsobu snímania povrchu zo širšieho hľadiska môžu byť rozdelené na deštruktívne, laserové, mechanické, dotykové, optické, röntgenové, ultrazvukové; avšak nasledujúci text sa zaoberá bezkontaktnými 3D skenermi, ktoré najčastejšie pracujú na laserovom alebo optickom princípe.[1] Tento článok je zameraný na softvér DAVID, ako alternatívny prostriedok pre laserovú digitalizáciu, ale pre ilustráciu je spomenutých zopár konkurenčných zariadení, ako napr. laserový skener FARO LS 880. Obr. 1 FARO LS 880 a ZScanner 800 Fig. 1 FARO LS 880 and ZScanner 800 Toto Hi-Tech zariadenie, bezkontaktný bodový laserový skenovací systém určený pre zachytenie 3D obrazu okolia vnútorných a vonkajších priestorov budov. Najviac sa osvedčil pri použití v architektúre, automobilovom a leteckom priemysle. Okrem statických skenerov, poznáme aj mobilné 3D skenovacie zariadenia, ako napríklad ZScanner 800. Je to prvý samostatne sa pohybujúci 3D skener, pri ktorom nie sú potrebné žiadne externé mechanizmy a fixácie. ZScanner umožňuje skenovanie väčších objektov ako napr. automobilu v jednom procese vďaka mobilite ručného prístroja. [4] Oproti týmto špičkovým zariadeniam softvér DAVID ponúka lacnú, cenovo dostupnú alternatívu na účely 3D laserovej digitalizácie, ktorej využitie ocenia hlavne malé firmy, ako aj bežný používatelia osobných počítačov. DAVID môže byť zaradený do skupiny laserových 3D skenerov, aj keď ponúka z počiatku pre tento softvér experimentálnu metódu spadajúcu do skupiny optických digitalizačných zariadení a to snímanie so štruktúrovaným svetelným zväzkom. K samotnému procesu snímania postačuje obyčajná webová kamera, kalibračný kút a laserové ukazovadlo s pruhovým nástavcom. Za minimálnu počiatočnú investíciu (399 za celý štartovací balíček) má k dispozícii užívateľ 3D skener, ktorý svojou presnosťou konkuruje mnohonásobne drahším zariadeniam. Na porovnanie môže poslúžiť 3D skener PICZA LPX-250, keďže výrobcovia oboch produktov zhodne uvádzajú maximálnu presnosť zachytenia detailu 0,2 mm. Obe zariadenia určenú plochu nasnímali bez problémov, bez väčších chýb a za pomerne krátky čas (PICZA 5min; DAVID 2min). [5] 16

17 Obr. 2 Nasnímaná polygónová sieť Fig. 2 Captured polygon mesh Ako je vidieť na obr.2 počas snímania na rovnakej ploche zachytil oveľa viac bodov, avšak tento výsledok vo veľkej miere ovplyvňuje použité snímacie zariadenie (webová kamera: Logitech Pro 9000). Na povrchu sa vyskytovali nerovnosti v podobe šumu a dier. Ak by sa použila menej kvalitná webová kamera, počet bodov by mohol byť výrazne menší a poruchy značne väčšie. Obr. 3 Polygónová sieť vyhladená v softvéry DAVID Fig. 3 Smoothed polygonmesh in DAVID software Hladkosť povrchu je porovnateľná so softvérovo vyhladeným povrchom u DAVIDa. Vďak a tomuto jednoduchému softvéru a jeho prijateľnej cene môže skenovať priestorovo ktokoľvek. 2 Nevyhnutné komponenty pre 3D skenovanie so softvérom DAVID Prácu so softvérom DAVID môžeme nazvať ako využitie Modulárneho konceptu za účelom priestorovej digitalizácie, keďže jednotlivé časti je možné obmieňať pre riešenú, špecifickú úlohu, avšak jediným nemenným prvokom je samotný vyhodnocovací softvér DAVID, ktorý funguje v dvoch základných formách. Prvou je Free Edition verzia, kde softvér ponúka všetky svoje funkcie, avšak umožňuje ukladať získané dáta len vo formáte OBJ. V druhej forme, platenej verzii Professional Edition, je možné nasnímané dáta ukladať taktiež vo formáte OBJ a pribudli STL a PLY formáty. [1] Najväčší vplyv na proces snímania má použité snímacie zariadenie. Ak sa použije webová kamera, musí sa dbať nato, aby nefungovala na menšom rozlíšení ako je minimálne pre potreby snímania. Konkrétne sa vyžaduje rozlíšenie 640 x 480 bodov a kamera musí umožniť zachytenie minimálne pätnástich snímkou za sekundu. [2] Fotoaparáty s týmito atribútmi v dnešnej dobe nie sú ničím nezvyčajným, avšak musia podporovať funkciu webovej kamery, tj. zachytávanie obrazu a vysielanie do počítača v reálnom čase, aby získane informácie softvér mohol spracovať. Ak fotoaparát ukladá snímky a videá len do vlastnej vnútornej pamäte, alebo na jeho externú pamäťovú kartu, nemôže byť použitý pre účel digitalizácie s využitím softvéru DAVID. Rovnaké podmienky platia aj pre videokamery. Pre snímanie je dôležitý výber správneho zdroja laserového lúča. Je nutné aby laser priamo dokázal vytvoriť namiesto jednoduchého bodu (laserové ukazovadlo) priamku. Na trhu sú dostupné lasery presne na tento účel určené a umožňujú zaostrenie pruhu nastavením vzdialenosti šošovky. Ak nie je k dispozícii takýto laser, priamka sa dá získať vytvorením relatívne zložitej optickej sústavy. Pri výbere laseru sa musí zohľadniť aj jeho farba a výkon. Pre jednoduché snímanie si používateľ vystačí s klasickým červeným laserom o výkonne 1mW, ktorý je cenovo najprístupnejší. Pre snímanie väčších telies sa musí použiť laser s vyšším výkonom, alebo zelenej farby, aby bol ľahko rozoznateľný snímacím zariadením. Pri snímaní malých súčastí je nutné aby sa lúč dal dostatočne zaostriť, musí byť čo najtenší pre zviditeľnenie jemných detailov. [5] 17

18 3 Princíp činnosti Úlohou digitalizácie objektov je získať predstavu o tvare a rozmeroch skúmaných prvkov. Problém, ktorý je nutné pri tomto meraní riešiť spočíva v tom, že pri transformácii trojrozmernej scény na dvojrozmerný obraz na CCD čipe skenera sa stráca dôležitá informácia o jednej súradnici. Jedná sa o Z-ovú súradnicu, ktorá po aplikácii pohľadovej transformácie reprezentuje vzdialenosť meraného predmetu od pozorovateľa (senzoru). Najpoužívanejším riešením tohto problému sú optické metódy založené na princípoch triangulácie. Tieto metódy môžeme rozdeliť do dvoch skupín: - aktívna triangulácia pasívna triangulácia Softvér DAVID pre rekonštrukciu trojrozmerného povrchu využíva aktívnu trianguláciu [4] 3.1 2D aktívna triangulácia Techniku 2D aktívnej triangulácie, spočíva vo fotogrametrickej rekonštrukcii snímaného objektu nasvietením jeho povrchu aktívnym svetelným zdrojom (napríklad laserovým pruhom) a súčasným snímaním povrchu objektu CCD, alebo CMOS snímačom. Výsledkom snímania je rastrový obraz. [4] Pri snímaní s využitím softvéru DAVID, zložitú optickú sústavu použitú u konkurenčných zariadení nahrádza jednoduché laserové ukazovadlo, doplnené o nástavec pre zobrazenie laserového pruhu a webová kamera. K povrchu predmetu je vyslaný laserový pruh, ktorý je snímaný kamerou s príslušnou optikou. Obr. 4 Príklad 2D triangulácie Fig. 4 Example of a 2D triangulation Pohyb pruhu vykonáva používateľ manuálne, respektíve dodatočné zariadenie. Zdroj svetla spolu so snímačom a osvetleným pruhom na skúmanom objekte tvorí takzvaný triangulačný trojuholník. Spojnica medzi svetelným zdrojom a snímačom sa nazýva triangulačná báza. Na strane svetelného zdroja je uhol zvieraný triangulačnou bázou konštantný, ale na strane snímača je uhol určený premennou pozícii osvetleného pruhu na CCD snímači. Z veľkosti tohto uhlu sa dá, na základe znalosti triangulačnej bázy určiť Z-ová súradnica bodu na povrchu objektu.[4] 3.2 3D aktívna triangulácia DAVID od verzie 2.5 ponúka pre tento softvér experimentálnu metódu 3D aktívnej triangulácie. Pri prechode na verziu 3.0 softvér prešiel plnou grafickou premenou rozhrania. Účelom tejto premeny bolo zjednodušenie procesu kalibrácie a následného snímania priestorových objektov s využitím práve tejto metódy. Pre takýto spôsob práce, kde sa využíva štruktúrovaný svetelný zväzok musí byť DAVID doplnený o svetelný zdroj (videoprojektor). Táto metóda je akousi fúziou stereografie a fotometrie. Pri procese snímania sa na digitalizované teleso premieta svetelný vzor (napr. ako u DAVIDa horizontálne a vertikálne pruhy rôznej šírky). [5] Svetelné pásy sú presne zlomené podľa povrchu snímanej súčasti. Takto nasvietený povrch sa nasníma CCD snímačom. Optický systém pomocou pásov svetla kopírujúcich povrch neskôr získa tvar skenovaného predmetu. 18

19 Obr. 5 Príklad 3D aktívnej triangulácie Fig. 5 Example of 3D active triangulation Ak sa použije celý štruktúrovaný svetelný zväzok, je objekt zmeraný naraz, čo je rýchlejšie ako v prípade jednorozmerných a dvojrozmerných triangulácií, kedy je nutné scénu merať postupne. Doba snímania je od 7s, podľa požadovanej kvality výstupných dát. Postupné meranie je nevhodné taktiež v prípade pohybujúcich sa objektov. [5] 3.3 Kalibrácia Pri 3D digitalizácii DAVID nie je nijako ohraničený veľkosťou snímaných objektov. Avšak vplyv na kvalitu a presnosť zdigitalizovaného povrchu telesa má okrem hardvéru aj kalibračný kút. Keďže samotný softvér sa stále vyvíja sú v súčasnosti dve základné podoby kalibračného rohu. V prvých verziách softvéru sa pracovalo s jednoduchším usporiadaním bodov. Na kalibráciu postačovalo 25 bodov, čo bolo výhodné ak si chcel používateľ vyhotoviť v určitej mierke zväčšenú kópiu. Softvéru nerobí problém práca s ľubovoľne zväčšenou, zmenšenou kalibračnou plochou, pokiaľ je zachovaný pomer strán a rozostúpenie bodov. Hlavných je päť kruhov s bielym stredom, obzvlášť dôležitý je marker v pravom dolnom rohu, kde kalibračným bodom je vzájomná dotyčnica oboch kruhov. Ak tieto body sa nenachádzajú v zornom poli kamery kalibrácia neprebehne. Toto rozloženie bodov je použiteľné aj v novších verziách softvéru. [6] Obr. 6 Staré rozloženie bodov Fig. 6 Old points layout 19

20 Obr. 7 Nové V3 rozloženie bodov Fig. 7 New V3 layout Pre kalibráciu v najnovších verziách sa využíva až 70 bodov. Hlavná výhoda nového rozpoloženia spočíva v tom, že pri kalibrácii nemusia všetky body byť v zornom poli snímacieho zariadenia. Pre úspešnú kalibráciu postačuje 6 hlavných centrálnych kruhov spolu s pár okolitými bodmi. [6] Ak je kalibračný roh zhotovený svojpomocne (nepoužili sa tlačové predlohy formátov A1, A3, A4 dodávaných spolu so softvérom) treba zaistiť aby pomer rozstupov medzi bodmi bol zachovaný v príslušnej mierke, obzvlášť vzdialenosť bodov ohraničujúcich vnútorný roh. Pre správne výsledky snímania (rozmerový výstup) je nutné do políčka Scale zadať správnu hodnotu mierky v mm, ktorá sa nachádza po oboch stranách kalibračnej plochy, spolu z priamkou príslušnej dĺžky. Ak nie je priamo zadaná číslom, stačí zmerať dĺžku priamky. Pri zabudnutí na zadanie správnej hodnoty, teleso sa nasníma, avšak jeho rozmer bude iný ako skutočný.[6] Obr. 8 Teleso naskenované s rôznou hodnotou mierky Fig. 8 One object scanned with different scale value 4 Možné príčiny vzniku problémov pri priestorovom skenovaní DAVID ako bezkontaktný systém má výhodu v tom, že nepoškodzuje povrch snímanej súčasti, nakoľko sa jej fyzicky nedotýka. To umožňuje snímanie mäkkých a plastických materiálov. Avšak bezkontaktné skenery majú vo všeobecnosti problém s nasnímaním povrchu veľmi lesklých tmavých a priehľadných materiálov. Tieto povrchy musia byť patrične ošetrené.[2][6] Tým sa predíde ďalším chybám pri snímaní. Pri nanášaní zmatňujúcého náteru je dobré zohľadniť farbu použitého lasera pri snímaní. DAVID umožňuje v nastaveniach výber červeného a zeleného lúča. Priaznivý vplyv na proces snímania má aj ak celé teleso je pokryté konštantnou farbou, keďže jednotlivé farby farebného spektra odrážajú laserový lúč s rôznou intenzitou. Ak je digitalizované teleso príliš pestré, dochádza k rôzne veľkým deformáciám snímaného povrchu oproti skutočnosti. 20

21 Obr. 9 Vplyv farby na snímací proces Fig. 9 Effect of colour on the scanning process Samozrejme nesmieme zabudnúť aj na kvalitu snímacieho zariadenia, respektíve jeho nastavenie. Ako je možné vydier na obr.9 časti snímaného valca, ktoré boli rovnakej farby ako laserový pruh (odtiene červenej) neboli zaznamenané a veľmi tmavé plochy softvér zachytil len čiastočne, aj to s veľkým rušením. Problémy nastávajú, aj ak počas snímania laser nie je upevnený pevne na jednom mieste kde nim otáča používateľ, alebo riadený krokový motorček. Pri držaní v ruke dochádza k viacerým chybám, ako nerovnomerná rýchlosť pohybu lasera a dopad lúča z viacerých strán a pod rôznymi uhlami na teleso, čo ma za následok vznik vlnitého povrchu na výslednom modely. Obr. 10 Vlny v smere dopadu laserového pruhu Fig. 10 Waves in the direction of the impact of the laser stripe 5 Zjednotenie pohľadov Vo väčšine softvérov je zjednotenie pohľadov komplikovaná operácia. DAVID je doplnený o ľahko ovládateľný modul 3D Shape Fusion. Po vykonaní potrebných úprav na jednotlivých polygónových sieťach, je nutné zjednotiť jednotlivé pohľady, nasnímané dáta získane skenovaním z viacerých strán u tvarovo náročných telies. Jednotlivé pohľady treba napolohovať tak, aby do seba presne zapadli. Po importovaní jednotlivých časti snímaného telesa do pracovného prostredia programu, je možné s jednotlivými mračnami bodov manipulovať ručne, alebo použiť automatické polohovanie a natáčanie okolo osí X, Y, Z. Každá polygónová sieť je pre zachovanie prehľadnosti farebne odlíšená. Softvér hľadá optimálne miesto každého pohľadu vzhľadom na spoločné prvky, minimálne tri identické polohy bodov v priestore. 21

22 Obr. 11 Jednotlivé pohľady získané skenovaním z viacerých strán Fig. 11 The different views obtained by scanning from multiple angles Ak po zjednotení pohľadov výsledok je zhodný s reálnym objektom, fúziou sa vytvorí zjednotený model, ktorý môže byť opätovne upravovaný. Obr. 12 a) Zjednotené pohľady b) Fúzia naskenovaných povrchov do jedného celku Fig. 12 a) unified views b) Fusion of scanned surfaces into a single unit 6 Užívateľské skúsenosti Najväčšou nevýhodou softvéru DAVID je, že v každom kroku práce je vidieť, aké skúsenosti ma ten ktorý užívateľ. Pri zariadení napr. PICZA LPX 250 po krátkej inštruktáži dokáže pracovať ktokoľvek. Pri prvom pokuse práce na zariadení PICZA laik docieli takmer identický výsledok ako skúsený používateľ. Pri práci s DAVIDom sa silno prejavujú odlišnosti podľa skúsenosti zo softvérom. Pri prvom použití nováčik zaručene nedosiahne výsledok zhodný s modelom vyhotoveným skúseným používateľom. Obr. 13 a) Prvý pokus laika b) Skúsenejší používateľ Fig. 13 a) First attempt of rookie b) Experienced user 22

23 Najčastejšou chybou okrem meniacich sa svetelných podmienok je nedodržanie konštantnej polohy kalibračného kúta, respektíve snímaného telesa a kamery počas trvania celého snímacieho procesu. Rovnako rušivo pôsobí nerovnomerný pohyb laserového pruhu, čiže jeho rôzne rýchlosti a dopad z odlišných strán.[6] 7 Záver Softvér DAVID je jedným z prvých významných krokov smerom k sprístupneniu presnej 3D digitalizácie pre bežných ľudí. Svojou cenovou prístupnosťou a jednoduchosťou umožňuje vlastníkom počítača tvoriť presné trojrozmerné digitálne kópie takmer čohokoľvek s porovnateľnou kvalitou, ba aj lepšou ako s drahým zariadením, avšak je nutné investovať do dodatočného hardvéru. Používatelia rovnako ocenia možnosť sledovať výsledky snímania povrchu v reálnom čase, čo nie každý prístroj umožňuje. Tento modulárny 3D skenovací koncept ponúka veľkú všestrannosť využitia pre širokú škálu používateľov. Softvér si určite zaslúži ďalšie sledovanie vývoja. Literatúra [1] DAVID Laserscanner: DAVID Professional 2.x Licenses [online] [cit ]. Dostupné na internete: < [2] Miroslav Janák, Jozef Barna, Jozef Novák-Marcinčin: Scanning of Spacious Objects with use of Microscribe System. Manufacturing Engineering/Výrobné inžinierstvo, 2011, č. 3, s ISSN [3] Török, J.: Analýza možností využitia 3D laserového skenovania pre digitalizáciu súčiastok. Bakalárska práca. Prešov: Technická univerzita v Košiciach, Fakulta výrobných technológií so sídlom v Prešove, s [4] TÖRÖK, Bc. Jozef: Vytvorenie parametrických modelov súčastí s využitím technológie bezdotykového skenovania. Diplomová práca. Prešov: Technická univerzita v Košiciach, Fakulta výrobných technológií, s. [5] Metodický manuál pre zabezpečenie konverzie 3D malých objektov [online] [cit ]. Dostupné na internete: < ual_pre-zabezpecenie-konverzie-3d-malych-objektov.pdf> [6] David Vision Systems GmbH: User Manual k produktu DAVID Laserscanner: Starter Kit. 2010, dodané s hardvérom Abstract Article: Use of more affordable software tools in the process of digitisation Author: Barna Jozef, Ing., Török Jozef, Ing., Veronika Fečová, Ing., Novák-Marcinčín Jozef, prof. Ing. PhD., Workplace: The Faculty of Manufacturing Technologies of Technical University of Košice with a seat in Prešov Keywords: 3D scanner, digitization, DAVID 3D laser digitization is still a very expensive way to transfer shapes of real object into a digital computer form. New devices are becoming more effective and more precise, but their price declines very slowly. This article offers perspective into the problems of 3D digitalization using the concept of a more favorable price, namely using DAVID software. This alternative offers scans of components surfaces that are from the viewpoint of precision and quality comparable with much more expensive devices. By scanning of the same area with two different devices, polygon meshes captured with DAVID software had more points but on the surface there are inequalities in the form of noise and holes; it is not as smooth as by the competitive 3D scanner. This result is largely affected by usage method of scanning equipment; specifically laser pointer was moved only manually. If the webcam has lower quality, the number of captured points would be smaller and holes could be bigger. Also by usage of other webcam settings the results could be different. Necessity of user experience is the biggest disadvantage of DAVID software. Every step of the work reveals the experience level of concrete user. Beginner can t achieve identical results as an experienced user. DAVID software presents the tool for making the first important steps towards 3D digitalization that is available for ordinary people. Its affordability and simplicity allows owners of computer to scan 3D objects and gen- 23

24 erate exact digital copies of almost anything of comparable quality, in many cases even better than the expensive equipment, but it is necessary to invest in additional hardware for achieving better results. Users also will appreciate the opportunity to watch the results of the capturing surface dimensions in real time what is rare while using other devices. This modular concept of 3D scanning offers great versatility for a wide range of users. The software clearly deserves further follow-up. 24

25 CAM in the Production of Casting Patterns MSc. Ondřej Bílek, Ph.D., MSc. Luboš Rokyta, MSc. Jaroslav Šimoník Tomas Bata University in Zlín, Department of Production Engineering, T.G. Masaryka 5555, Zlín, Czech Republic. The article is focused on the production of permanent casting patterns from wood for impermanent moulds by the 5-axes machining centre. Programming of casting pattern was dealt with CAM programs by two different manufacturers. Casting pattern, adapted by appropriate allowances, was loaded in the SolidCAM R10 and the CAM Express 7.5 by Siemens. Ergonomics in the working environment of programs, operation verifications and theoretical machine time were compared. The casting pattern has been machined after generating the NC code on FC3800 MACH milling machine. Monitored parameters during computer programming were associated with the measured values when machining casting pattern. Estimated parameters between the computer simulations differed in general minimally, although the methods of managing the cutting operations were different. Considerable differences, as expected, were observed in the values of estimated and actual machine time. Key words: CAM, Milling, Casting, Pattern, Software. 1 Introduction The current trend in the production of permanent casting patterns is forced to the deployment of productive and prototyping production. Besides the application of Rapid Prototyping (RP) technology [1], allowing rapid production of casting patterns based on computer data, casting pattern shop are widely using numerically controlled machines (CNC). The various technologies have shown their limitations. Rapid Prototyping (Fig 1) is exclusively used for the preparation of casting patterns of smaller volumes for the reasons of high prices of construction material. Fig. 1 Simplified manufacturing process of casting technology using RP technology The introduction of CNC machines to casting pattern shops on one hand means the production of complex shaped parts, on the other hand requires trained personnel to work with CNC machine tools and programmers with knowledge. Programmers in many cases are encountered with conflicting requirements; it is necessary to reduce the non-cutting time so that the part is machined on one clamping from multiply sides, to achieve adequate surface quality [9] and the accuracy of dimensions and shapes. Programmers are limited besides kinematics, structure and stiffness of the machine tool [8] also by the number of simultaneously controlled axes and size of the clamping table. On the market there are many CAD/CAM softwares. New versions are competing in the use of the ergonomic options, automated preprogrammed macros and patented machining strategies. Fig. 2 Simplified manufacturing process of casting technology considering CNC production of casting pattern 25

26 CAM software is chosen with regard to an existing computer structure, respecting the previous level of design, construction and production preparation, with subsequent modules for control, monitoring and logistics. In manufacturing companies is the concept known as CIM (Computer Integrated Manufacturing), whose heart is a CAD/CAM [10]. With the growing data comprehension, assemblies complexity, and work in teams comes PLM (Product Lifecycle Management), referred to the technology or strategy. Its aim is to innovate and streamline production by using more computer modules. It is a scheme, whose core is the CAD/CAM (Fig. 3), and solves frequently occurring problems of engineers finding with the data they require. Fig. 3 CAD/CAM work flow This article aims to compare two CAM programs by different manufacturers and to determine the estimated time considering the actual machine time during the five-axes milling on CNC center. The work was created in collaboration with the casting pattern shop. CNC machine is specifically designed for the machining of large casting patterns from wood. In conclusion, the differences and limitations of CAM programs are discussed for ease finding of the optimal software to CIM/PLM structure. 2 CAD of Casting Patterns CAD models were created in the software Catia V5R18 by Dassault Systèmes, based on the drawings, intended for the manufacturing of casting pattern with respect of technological allowances. When creating a blank part, the assembly is used due to the shape continuity and their relationships. The output from the Catia software were CAD models in the CATPart and CATProduct format, moreover STEP format files based on ISO were exported, to load them to the software SolidCAM R10. Were chosen two parts, the casting pattern of propeller shape (Fig. 4), and the casting pattern of pedestal shape. The reason for this choice is to compare the machining strategies and diversity of softwares in general. Finally, SolidCAM R10 was used for NC code generation through given MACH 165 post-processor. Fig. 4 The computer model of the propeller part with a design history (on the left) in the Catia V5R18 26

27 Fig. 5 Initial setup in the CAM program CAM Express Programming by Using CAM Softwares The created models were loaded into two CAM programmes. The first was CAM Express 7.5 software from Siemens, commercially known as package of modules called NX. As a second software was used SolidCAM R10, made by Dassault Systèmes. Programming in the SolidCAM R10 was used for machining using postprocessor MACH 156, which is designed for five-axes CNC machining center FC3800 MACH by SAHOS company. After loading the file the programmer made an initial setup (Fig. 5). The workpiece zero point, the definition of blank part, workpiece and clamping elements, and definition tools for machining was to define. Both softwares have been complied with identical cutting conditions, cutting tools (Tables 1 and 2) and was an effort to make a comparable cutting operations. Tab. 1 Tooling list for machining the pedestal part Tool description Face Mill Cutter Diameter (mm) 20 Lower Radius (mm) 0 Flute Length (mm) 50 Ball Mill Tab. 2 Tooling list for machining the propeller part Tool description Face Mill Cutter Diameter (mm) 20 Lower Radius (mm) 0 Flute Length (mm) 50 Ball Mill Rough Milling Operations Tool Length (mm) 100 Finish Milling Operations 120 Rough Milling Operations Tool Length (mm) 200 Finish Milling Operations CAM Express Programming For the roughing the pedestal part and the propeller part in the CAM Express 7.5 program was chosen Cavity Mill operation. Cavity Mill operations are used to remove large volumes of material and is ideal for rough-cutting parts, such as dies, castings, and forgings. Cavity Mill removes material in planar levels that are perpendicular to a fixed tool axis. Cutting conditions were chosen based on practical experience of the programmer. Values of feed velocity was vf = 8000 mm/min and the spindle speed n = 8000 min-1. Further, the part side stock was 2 mm. For the rest of the volume were applied Variable Streamline operations. Roughing in five axes was controlled by restriction Away from Point. Towards the point was the head of spindle tilts. Common depth of cut was 10 mm and the stepover 80 percent of tool 27

28 diameter. For the rest roughing operations at propeller components volume was chosen Radial Cut operation, controlled by the vector. The program allowed simplifying the definition operations for other blades by the transformation in the circular array. Fig. 6 Rough milling operations, CAM Express 7.5 (left), SolidCAM R10 (right) For finishing operation were used cutting tools mentioned in the tables 1 and 2. To create cutting tool pathways were Controur Area and Variable Streamline chosen, which were controlled by the same methods as in roughing operations. These machining methods are used to finish areas formed by contoured surfaces. They enable the tool path to follow intricate contours of very complex surfaces by defining the tool axis or projection vector. The part side stock has been withdrawn. The depth of cut was 0,6 mm for pedestal part, while the depth of cut for propeller part was 0,3 mm. For the machining of top of the propeller part was Surface Area operation chosen, and the cutting tool was controlled by the vector. After the cutting tool pathways are programmed, CAM Express allowed verifying collisions among workpiece, clamping parts and spindle. A correctly designed program must be in the desired tolerance (Fig. 7), influenced by the chosen cuts between slices and tolerance chains. For all components that were used as casting models was the tolerance of interpolation 0.1 mm. Fig. 7 Thickness variation as a color-coded plot showing the minimum distance between the workpiece and the designed propeller part 28

29 3.2 SolidCAM Programming To create volume roughing operations for the pedestal part and the propeller part were used 3D milling operations. This operation is a 5-axes operation, where the tool direction was controlled by the given point. Cutting tools (tables 1,2) and cutting conditions were same as for the CAM Express. Rough milling the blades of propeller part was controlled by the lines. SolidCAM offered similar possibilities of transformation by the rotation for recurrent blades. The finish milling used justification operations as a 5-axes continual milling. Cutting tool was led in the defined angle (0o) to the Z axis. Backside of the blade was controlled by the line; moreover the transformation methods were used. 4 Conclusion While CNC machining of above described part on five axes cutting center FC3800 Mach by Sahos, were the actual cutting time measured to compare with theoretical time by CAM programs. Results are shown in the table 3. According to the assumptions, none of the software thought about the machine kinematics. Workpiece material was alder wood. Blank workpiece was glued together from smaller plates and clamping was ensured by wooden rails and clamps. Tab 3. Comparison of the production times for the propeller foundry model Machine Time Machine Time Percentual Machine Time CAM Express SolidCAM R10 difference befc tween programs MACH (h:m:s) (h:m:s) (%) (h:m:s) Rough Milling 0:10:05 0:12:57 28 % 0:39:57 (operations sum up) Finish Milling 0:31:32 0:26:32-16 % 2:08:10 (operations sum up) The scope of our article was to compare the work in the given softwares, ergonomics, outputs and programming possibilities. Cam Express in the version 7.5 could be characterized as a friendly environment for programming. Menus, dialogues and control was the same as in the mother programme NX, by the reason that CAM Express is based on its core. Advantages were the connection among different CAD softwares and file import from various producers. Workpiece zero point was easy to establish, furthermore casting model construction in appropriate coordinate system was not having to set or change the workpiece zero point. Comparing to SolidCAM R10 gave CAM Express more possibilities to define the workpiece blank. For example, the blank could be defined as a offset value from the part, which is impossible in SolidCAM. Further, in CAM Express the tool creation was simple by descriptive dialogues. For the operation creation there is a wide range of options to choose from. Five axes machining gives more operation than SolidCAM, primarily Streamline and Surface Area machining method. CAM Express gave possibility of free programming thus the tool pathway could be manually changed. Program verification simulation suffers from lack of machine simulation, including machine tool kinematics. Moreover, the simulation had enormous hardware requirements. Software SolidCAM R10 is the extension of SolidWorks with same graphical workspace. From the beginning import of CAD file the dialogues led through the initial setup automatically, which can also be a disadvantage. These autonomous steps were the workpiece zero point definition and the selection of the workpiece blank. Next, programming was followed by the specification of clearance plane and cutting feed. For the five axes machining was only one operation to use, which offered various methods of part milling. Cutting tool was to drive in this operation by simple and understandable dialogues with detailed figures of action. Advantage was minimal hardware load of computer when simulation manufacturing of pedestal and propeller part, with machine tool kinematics. Disadvantage was the close connection to SolidWorks, not leaving sufficient space for modeling in other CAD softwares. References [1] Bílek, O., Rokyta, L. (2011) Rapid Prototyping in Casting Technology: Case Study. Annals & Proceedings of 22nd DAAAM World Symposiums. ISBN (In press). [2] Hrdina, J. Zkoušky trvanlivosti povlakovaných nástrojů. Vrstvy a povlaky Zborník prednášok. Rožnov pod Radhoštěm, Trenčín : DIGITAL GRAPHIC, 2008, p ISBN [3] Jandečka, K. Postprocesory a programování NC strojů. Ústí nad Labem, [4] Jandečka, K., Česánek, J., Škarda, J. (2006) Postprocessor of CAD/CAM System Cimatron and New Types of Interpolation. Manufacturing Technology, Vol. 1, No. VI. Pp ISSN [5] Jandečka, K., Skopeček, T. (2004) Optimalizace řezného procesu a moderní CAD/CAM systémy. Strojírenská technologie. Vol. 1, No. IX, pp ISSN [6] Jurko, J., Lukovics, I. Obrábateľnosť materiálov. 1.vyd, Zlín: UTB, p. ISBN [7] Mádl, J., Holešovský, F. Novák, M. Strojírenská technologie pro moderní výrobu. FVT UJEP : Ústí n. Labem s. ISBN

30 [8] Marek, J. Konstrukce CNC obráběcích strojů. Praha: MM publishing, s. ISBN [9] Novák, M. (2010) Možnosti hodnocení kvality obrobených povrchů. Strojírenská technologie. zvl. Vydání. Ústí n. Labem : FVTM UJEP, s ISSN [10] Rao, R. N. CAD/CAM: principles and applications. Tata McGraw-Hill Publishing Company Limited. 2006, 253 p., ISBN [11] Smid, P. CNC programming handbook : a comprehensive guide to practical CNC programming New York : Industrial Press Inc, s. ISBN Abstrakt Článek: CAM ve výrobě slévárenských modelů Autoři: Bílek Ondřej, Ing., Ph.D. Rokyta Luboš, Ing. Šimoník Jaroslav, Ing. Pracoviště: Ústav výrobního inženýrství, FT UTB Zlín Klíčová slova: CAM, frézování, slévání, modely, software Článek je zaměřen na výrobu trvalých slévárenských modelů ze dřeva pro netrvalé formy pomocí 5-tiosého obráběcího centra. Strojní programování modelů bylo řešeno v CAM programech dvou odlišných výrobců. Slévárenský model, zvětšený o odpovídající přídavky, byl načten v programu SolidCAM R10 a v programu od firmy Siemens CAM Express 7.5. Byla srovnávána ergonomie práce v pracovním prostředí jednotlivých programů, verifikace operací a teoretický strojní čas za stejných řezných podmínek. Součást byla po generování NC kódu obráběna na stroji FC3800 MACH. Sledované parametry při programování slévárenského modelu byly dávány do souvislosti s naměřenými hodnotami při obrábění slévárenského modelu. Odhad parametrů počítačové simulace se mezi softwary lišil minimálně, přestože metody tvorby řídícího programu byly odlišné. Výraznější rozdíly, podle předpokladů, byly zaznamenány v hodnotách odhadovaného strojního času a skutečného strojního času při obrábění. Současný trend výroby trvalých slévárenských modelů nutí zavádění produktivních a prototypových možností výroby. Vedle aplikace technologie rapid prototyping, umožňující rychlou výrobu slévárenských modelů na základě počítačových dat, modelárny sléváren využívají číslicově řízených strojů. Jednotlivé uváděné technologie mají svá omezení. Rapid Prototyping se výhradně využívá pro přípravu modelů menších objemů z důvodů vysoké ceny stavebního materiálu slévárenského modelu. Zavádění CNC strojů do firem na jedné straně znamená výrobu tvarově komplexnějších součástí, na druhé straně vyžaduje vyškolený personál pro práci s CNC strojem a programátory se znalostmi. Programátoři se v mnoha případech při programování součásti setkávají s protichůdnými požadavky, je nutné snižovat vedlejší nevýrobní časy tak, že součást je obráběna na jedno upnutí z více stran, dosahovat odpovídající kvality obrobeného povrchu a přesností rozměru a tvaru. Programátoři jsou omezeni vedle kinematiky, stavby a tuhosti stroje také počtem současně řízených os a velikostí upínacího stolu. Na trhu je celá řada CAD/CAM softwarů. Nové verze se předhánějí ve využívání posledních ergonomických možností při programování dílců, automatizovaných předprogramovaných maker a patentovaných možností obrábění. 30

31 Objektivizace dat pro plánování výroby metodikou REFA Bozděch Jan, Ing., Fakulta strojní, ZČU v Plzni Duchek Vladimír, Doc. Ing. Ph.D., Fakulta strojní, ZČU v Plzni Článek pojednává o objektivizaci dat pro plánování metodikou REFA. První část příspěvku je věnována teoretickému uvedení do metodiky, která pomocí teoretických poznatků, zkušeností a kreativity technického myšlení může nastartovat ve firmách proces trvalého zlepšování procesů. Dosahované výsledky jsou důkazem toho, že tento systém práce je schopen přinášet výsledky ve formě zvýšení produktivity práce s minimálními náklady na realizaci. Na několika uvedených studiích je ukázáno, jaké výsledky je touto metodikou možné dosáhnout. Dále ukazuje, že se jedná o metodiku univerzální, tedy je ji možné aplikovat na různé procesy. Klíčová slova: objektivizace, plánování výroby, metodika REFA, data 1 Úvod Průmyslová praxe neustále ukazuje, že se opatření pro zlepšení procesů volí a provádějí často pouze intuitivně. To má za následek, že možné racionalizační efekty pro zajištění konkurenceschopnosti nejsou dalekosáhle používány. Pomocí systematického postupu k plánování přiměřeného pracovnímu úkolu před realizací zamýšlených změn je naproti tomu možné často zamezit drahým dodělávkám během výroby a tím snížit náklady a rychleji vytvářet zisky. Komplexní úvaha mimoto u plánování předpokládá uspořádané myšlení a systematické postupování. Proces je řízen v krocích tak, aby byly systematicky vyřazeny souvislosti ve stávajících pracovních systémech pomocí analýzy, a znovu smysluplně vytvářeny a pospojeny prvky pracovních systémů. Vhodným nástrojem pro tyto pracovní systémy je metodika plánování REFA. Ta znázorňuje metodický základ pro systematické počítání. 2 Základní poznatky - Organizační předpoklady pro realizaci projektu 2.1 Možnosti plánování Pokud se má plánování a vytváření pracovních systémů úspěšně realizovat, je třeba nejprve stanovit, zda se jedná o: nové plánování (zpravidla neexistuje srovnatelný pracovní systém a k dispozici je rozsáhlý prostor pro utváření) přeplánování (zpravidla se mění stávající pracovní systém s omezeným prostorem pro utváření) zaplánování (zpravidla se podobný systém zahrne do plánování stávající organizační jednotky s omezeným prostorem pro utváření) Obr. 1 Možnosti plánování [1] Fig. 1 Possibilities of planning [1] Od tohoto stanovení je závislý také rozsah vytvářených organizačních předpokladů. Právě tak jím lze stanovit, na jakém stupni systematiky plánování začne. Data mohou být již k dispozici a tím snižují náklady na analýzu situace nebo ji dokonce popřípadě činí zbytečnou. Je třeba ověřit zda mají existující data potřebnou kvalitu a zda jsou ještě platná. 2.2 Organizace projektu Před zahájením vlastní aplikace metodiky REFA je třeba u menších a středních podniků ověřit, do jaké míry dokáže tým pracující na příslušných činnostech s časovým omezením vedení společnosti připravit rozhodnutí a 31

32 případně zda jej lze externě podporovat. Ve velkých podnicích se zpravidla zřizuje tzv. plánovací tým, který tvoří vedoucí projektu, poradní grémium a rozhodovací výbor, v menších podnicích se projektový tým skládá ze 2 až 3 osob, nebo je plánovač odkázán sám na sebe. Je třeba dbát na to, že u složení a u jednotlivých členů týmu musí být splněny určité požadavky jako např. neomezená komunikace, žádné interní soutěžení, připravenost a schopnost spolupracovat, schopnost kritiky, schopnost přesvědčovat a další. Vedle těchto požadavků by měli v rámci plánovacího týmu být přítomni ve vyváženém měřítku znalosti a zkušenosti příslušného výrobního procesu. Tuto funkci zaujímají ve většině případů externí poradci a další pozice. Znalosti, které mají pracovníci o pracovních průbězích a pracovišti, je třeba využít k přesnějšímu označení slabých míst stávajícího systému v rámci analýzy situace a také k získání návrhů, jaké atributy by měl pracovní systém v plánovaném stavu vykazovat. Nejintenzivnější formou účasti je zapojení držitele pracoviště do plánovacího týmu. 3 Systematika plánování 3.1 Aplikace metodiky REFA Úspěšná aplikace metodiky REFA znamená dodržení určité systematiky (viz další text). Je třeba zaměřit se na několik stupňů, kterých by mělo být dosaženo: Celkový pohled na systém s ohledem na člověka, techniku, organizace a informaci Metodické vypracování a zhodnocení variant řešení Dobrá průhlednost procesu plánování Přichystání fundovaných výsledků plánování pro podniková rozhodnutí Reprodukovatelné výsledky plánování Snížení vynaloženého času a nákladů na jednotlivé úkoly plánování Uspořádání a náplň každého z těchto stupňů jsou voleny tak, aby se nejdříve musela provést rozhodnutí na základě různých analytických a koncepčních kroků. Tím je zaručeno, že před započetím následujícího stupně budou schváleny podstatné, pro další postup rozhodující výsledky stupeň: Analýza výchozí situace Stanovit těžiště analýzy Těžiště stanovuje podnět k plánování. Je třeba dbát na to, že se vedle slabých stránek ukazují i silné stránky zkoumané oblasti. Obsáhlá analýza situace by měla obsahovat těžiště zaměřená na výrobní proces a úkoly. Jako příklad lze uvést provozní prostředky, časy, organizační a technická slabá místa, popis pracovního místa a další Provést analýzu K provedení analýzy situace je k dispozici velké množství vhodných pomůcek, např. kontrolní seznamy, dotazníky, vlastní záznamy a dotazování. Důležité je, aby byla zjištěná data aktuální, aby na ně bylo pohlíženo jako na charakteristická data pro stávající stav Znázornit výsledků analýzy Jednotlivé výsledky analýzy situace plánovací tým shrnuje do podstatných výroků a doporučení. Tyto se prezentují místům s rozhodovací pravomocí po příslušné grafické a textové úpravě. Kritéria volby možných forem znázornění vyplývají v závislosti na skutkovém stavu, který se má prezentovat stupeň: Stanovit cíle, vymezit úkoly Konkretizovat cíle Pokud vycházíme z výsledků analýzy situace, lze odvodit konkrétní cíle. Cílová kritéria mohou mít charakter nutných a možných kritérií. Nutná kritéria (např. objem výroby a objem investic) musí být bezpodmínečně splněna vypracovanými variantami řešení. Možná kritéria (např. zkrácení průběžných časů, snížení výrobních nákladů) by měla být v jednotlivých variantách řešení pokud možno dobře splněna. Pro řadu cílových kritérií je nutno vytvořit přiřazení pro každý úkol plánování. Takže například zkrácení průběžných časů lze v jednom případě počítat k nutným kritériím, a u jiného úkolu plánování k možným kritériím Stanovit význam cílů Aby bylo možno se při volbě pozdějších variant utváření pokud možno dostat ke správným rozhodnutím, je potřebné stanovit význam cílů s ohledem na projekt Vymezit úkoly plánování 32

33 K vymezení úkolů v prvé řadě platí stanovení hranic uvažovaného pracovního systému a přesný popis rozhraní k okolí. Přitom se nejprve stanovují a popisují vstupy, výstupy a pracovní úkoly, které má plánovací tým zpracovat stupeň: Koncipovat pracovní systém Vypracovat pracovní procesy Nejprve se konkretizují požadovaná data pro plánovaný pracovní systém, tzn. údaje o tom jaké výrobky a skupiny výrobků má pracovní systém vyrábět, příp. jaké jednotlivé služby má poskytovat. V souladu s dlouhodobým plánováním se odvodí zadání pro kapacitní data. Celý proces se rozčlení na jednotlivé úseky procesu. Poté se rozhodne, jaké náplně práce se mají vytvořit spojením úseků procesu Vyvinout pracovní systém Na základě pracovních procesů se nyní vyvíjí varianty řešení tím, že se stanovení jednotlivě prováděné pracovní procesy lidmi a/nebo provozními pomůckami. Potřebné výpočty pro prováděcí časy na jeden dílčí pochod popř. úsek procesu se opět řídí podle toho, zda se jedná o nové plánování, přeplánování nebo zaplánování pracovního systému (viz kapitola Možnosti plánování) Odhadnout požadavky na kvalifikaci a naplánovat potřebu personálu Nyní lze odhadnout, jaké kvalifikace musí pracovníci nově vytvářeného pracovního systému mít a jaké je potřeba kapacity u jednotlivých kvalifikací. Potřeba kvalifikace se musí porovnat s výchozím stavem a následuje určení, kteří pracovníci ze stávajícího pracovního systému nebo z jiné oblasti podniku se mají nasadit do plánovaného pracovního systému Odhadnout zatížení Pomocí kontrolních seznamů lze stanovit, jaká psychická a fyzická zatížení, popř. ohrožení vyplývají z pracovního úkolu. Z okolního prostoru zamýšleného pracovního systému, z provozních prostředků a pracovních látek zamýšlených pro nasazení a na základě údajů o výkonech se také lze vyjádřit k očekávaným zatížením pracovního prostředí i k případně nutným osobním ochranným pomůckám (např. ochranné brýle) Naplánovat, popř. dohodnout systém odměňování a režimy pracovní doby Prvořadé je stanovení cílů, kterých má systém odměňování dosáhnout. Toto se děje ve spolupráci se závodní radou, protože je třeba zohlednit jak podnikové požadavky, tak i očekávání pracovníků. Je třeba také dbát na to, že dopady systému odměňování spočívají v motivaci osoby pracovníka. Definitivní stanovení k utváření, odměňování a pracovní doby proběhnou teprve po rozhodnutí o variantě řešení, která se bude realizovat. Všechny varianty řešení se znázorňují a dokumentují názorným způsobem Zhodnotit a vybrat varianty Pro výběr nejlepšího řešení se vypracované varianty hodnotí a srovnávají. Nejprve se porovnává na základě dříve stanovených nutných cílů. Na varianty, které nesplní jeden z nutných cílů. Nelze při dalším posuzování brát ohled. Aby bylo umožněno kvalifikované rozhodnutí mezi variantami plánování, je třeba varianty porovnat podle peněžně kvantifikovatelných a peněžně nekvantifikovatelných kritérií cíle (viz 2. stupeň plánování). K tomu se vedle sebe postaví jednak Výsledky úvah o nákladech a ekonomičnosti Hodnoty pracovních systémů (užitné hodnoty) Na základě takto provedeného hodnocení variant plánování lze zvolit nejlepší řešení stupeň: Detailně rozpracovat pracovní systém Realizovat pravidla utváření V tomto stupni podrobného plánování proběhne realizace ergonomických a bezpečnostně-technických pravidel utváření a aspektů strukturalizace práce. Pak také vyplynou nároky, které jsou základem pro následné plánování personálu. Dále jsou základem podrobného rozpracování pracovních systémů pořizovací směrnice. Podrobné rozpracování systémového řešení vyžaduje tvůrčí podložení zvolené varianty řešení Naplánovat provozní prostředky Po plánování a přiřazení úkolů je možné stanovit specifické technické požadavky pro ještě pořizované nebo rozestavěné provozní prostředky a zachytit je ve formě reklamačního řádu. Reklamační řád slouží ke stanovení požadavků na pracovní systém nebo na provozní, popř. pracovní prostředek a k zjednodušení spolupráce mezi provozovatelem, plánovačem a výrobcem. V reklamačním řádu jsou uvedeny požadavky z hlediska uživatele včetně všech okrajových podmínek Naplánovat personál 33

34 Z výsledků podrobného plánování pracovního systému se odvozují nároky na kvalifikace pracovníků později nasazených v systému. Přitom ve středu pozornosti stojí pracovní úkoly. Udávají, jaké schopnosti a dovednosti musí být k dispozici, aby bylo možné dosáhnout stanovených cílů. (např. vysoká kvalita, nízké náklady). Takto zjištěné požadavky se porovnají s kvalifikacemi pracovníků přicházejících v úvahu a tím vznikne potřeba nutné kvalifikace. Je třeba zohlednit požadavky, které s pracovním úkolem přímo nesouvisí. Není možné je obecně zjistit kvantitativními analýzami, ale spíše kvantitativním odhadem Sestavit realizační plán Aby bylo možno zajistit termínově odpovídající a funkční zhotovení plánovaného pracovního systému, je třeba sestavit realizační plán. Podle komponenty plánovacího záměru se přitom použijí různé pomůcky např. síťový plán nebo řádkový diagram, reklamační řád, plán přestěhování, termíny a náplně nutných kvalifikačních opatření a opatření pro zpracování stupeň: Zavést pracovní systém Opatřit, příp. vybudovat provozní prostředky Po uvolnění nutných prostředků místy s rozhodovací pravomocí lze dát podnět k opatření, popř. zavedení stavebních opatření Provést personální opatření Přijetí nových pracovníků do pracovního poměru se musí provést včas. Protože pokud tito nebudou zcela splňovat kvalifikační požadavky nového pracovního systému, je třeba provádět školení a další vzdělávání Nainstalovat pracovní systém V závislosti na komplexnosti plánovaného pracovního systému budou při instalaci nutná: Stavební opatření (např. upravení toku materiálu) Činnosti pro přípravu práce (např. nová data pro tok informací). Vhodné jsou pro koordinaci a sledování všech jednotlivých aktivit aplikace síťových plánů a kontrolních seznamů, aby byla zajištěna časově nákladově příznivá realizace zvolené varianty plánování Provést zkušební provoz Zkušební provoz poskytuje příležitost k pozorování potřeby součinnosti pracovníků působících v systému s aplikovanými provozními podmínkami. Pečlivým zaznamenáním a vyhodnocením údajů o kvalitě provozních prostředků lze rozpoznat a odstranit příčiny poruch a potíží. Rozhovory s pracovníky působících v pracovním systému mohou přispět k odhalení příčin poruch a navíc k vyvolání zlepšovacích návrhů Analyzovat zatížení Nejprve se provede obsáhlý popis pracovního systému, ve kterém jsou zachyceny pracovní úkoly, organizační podmínky a prostorové poměry. Na tomto základu se pokud možno kvantitativně zaznamenávají zatížení pracovníků pracovním úkolem a pracovním prostředím. Tyto údaje je potřeba ještě jednou ověřit při normálním nasazení pracovního systému, aby bylo možno snížit vlivy chyb ze zkušební fáze. Pokud jsou všechny podmínky realizace dané, lze pracovní systém nainstalovat. Přitom je třeba bezpodmínečně prověřit případné odchylky od projektu ohledně jejich dopadu na plánované řešení. Nyní může následovat zkušební provoz a příležitostně zapracování pracovníků na omezenou dobu Zjistit data Ve zkušebním provozu, za předpokladu bezporuchového průběhu a s pracovníky zkušenými v provádění pracovního úkolu, lze zjistit skutečná data. Na základě toho lze zjistit nové plánované časy pro pracovní systém stupeň: Nasadit pracovní systém Po úspěšném zkušebním provozu a předání provozovateli začíná fáze užívání pracovního systému. Systému plánování ovšem přísluší ještě dva úkoly: Je účelné sestavit rozsáhlou závěrečnou zprávu, aby bylo možno sáhnout po již existujících výsledcích a zkušenostech v případě plánování podobných záměrů i při jinak personálně sestaveném plánovacím týmu. Provést kontrolu úspěchu Abychom měli jistotu, že nainstalovaný pracovní systém dosáhne stanovených cílů plánování, je třeba provést systematickou kontrolu úspěchu. Toto je možné zkoumáním parametrů vztažených na systém. Tato kontrola úspěchu by se ostatně měla provádět až ve zaběhnutém stavu pracovního systému. Pouze tak je zajištěno, že se získávají spolehlivá a reprezentativní data. 34

35 V případě odchylek od stanovených cílů je třeba zdůvodnit příčiny, aby bylo možno získat další přenosné poznatky. 4 Příklady aplikace metodiky REFA v průmyslové praxi Tato část předkládaného článku uvádí čtyři příklady aplikace metodiky REFA. 4.1 PMDP, a.s. Společnost Plzeňské městské dopravní podniky je zaměřená na služby v oblasti hromadné dopravy. Hlavním cílem tohoto projektu byly: Technicko-ekonomické racionalizace v oblasti výrobních procesů ve společnosti K tomuto bylo třeba zaměřit se na několik dílčích cílů: Zlepšení norem spotřeby času Zvýšení produktivity práce Zhodnocení počtu zaměstnanců Při aplikaci základních zásad a postupů metodiky REFA byly realizovány následující kroky: Sledování spotřeby času při údržbě jednotlivých dopravních prostředků tramvají, trolejbusů, autobusů. Hodnocení využití času Propočet počtu pracovníků vůči spotřebě času Výsledek dle metodiky REFA: Proběhlo vyškolení zaměstnanců společnosti na systém REFA včetně udělení certifikátu Byl snížen počet Nh oproti předchozímu stavu o pětinu Byl navržen optimální počet zaměstnanců (vyšší, nižší) oproti výchozímu stavu Optimalizovaný tok výroby včetně doporučení do budoucnosti Vytvoření katalogu norem 4.2 2VV s.r.o. Pardubická společnost zaměřená na výrobu vzduchotechniky. Stanovené cíle projektu, kterých mělo být dosaženo: Připravený a částečně vyplněný katalog norem Odsouhlasený návrh pracovních postupů včetně Quality gates Nastavení sledování výroby Návrh optimalizovaných layoutů Podklady pro optimální nataktování výrobních linek na A produkce K dosažení požadovaného výsledku byla potřeba uskutečnit následující kroky: Proškolení pracovníků firmy Přímé měření časů Vytvoření seznamu nedostatků Navržení opatření Vybalancování linek na 7 vzorových výrobcích Z naměřených hodnot vytvoření katologu norem Odzkoušení a odladění katalogu norem na potřebnou přesnost Stanovení pevné formy technologických postupů Zkreslení stávajícího stavu layoutu Navržení nového layoutu do stávajících prostor Bylo dosaženo těchto výsledků: Proškolením vytvoření týmu spolupracovníků ze strany objednavatele, který se přímo podílel na veškerých pracích společně s RA. Vybalancováním linek na jednotlivé typy došlo k úspoře až tří desítek procent na výrobním čase na lince Přeuspořádáním pracovišť a layoutu došlo k úspoře místa na hale a lepší umožnění sestěhování jednotlivých částí firmy Konkrétní návrh pracovních postupů včetně zanesení bran kvality (quality gates) do těchto postupů 35

36 Z naměřených činností byl sestaven katalog norem umožňující výpočet časové náročnosti nových výrobků ze znalosti jejich pracovních postupů 4.3 FAIVELEY TRANSPORT LEKOV, a.s. Společnost zaměřená na výrobu trakčních zařízení. Cíl projektu v této společnosti bylo: Zvýšení produktivity práce, tj. se stejným počtem pracovníků vyprodukovat na menší ploše více výrobků, a to při zachování lidskosti práce s konkrétními body: Zvýšit produktivtu práce Objektivizovat normy spotřeby času na evropskou úroveň (REFA metodika) Zlepšit výrobní kulturu výrobních procesů Zajistit dodržování termínů dodávek Zvýšit kvalitu dodávek Zvýšit kvalifikaci pracovníků v oblasti produktivity práce a normování Zajistit kontinuitu v trvalém zlepšování produktivity práce zaměstnanci společnosti Postup prací: Pracovní proces racionalizace o o o Analýza pracovních procesů dle REFA metodiky Vytvoření seznamu nedostaků výrobního procesu Zpracování konkrétních návrhů na zlepšení současného stavu o o o pracovní postupy využití ploch kultury prostředí technické a přístrojové vybavení (přístroje, přípravky, zásobníky atd) workflow, struktura výrobních procesů úzká místa kritická místa výrobního procesu (termíny, kvalita) make or buy Vytvoření TO DO liste pro realizaci navržených opatření Monitoring realizace opatření Technický dozor realizace opatření Pracovní proces normování práce o o o Provedení auditu systému normování práce (objektivnost, aktuálnost, zpětná vazba atd.) Zpracování pracovních postupů dle potřeb normování Objektivizace norem spotřeby času o o směnový přídavek ( zv Verteilzeitzuschlag) časy operací přípravné časy Vytvoření katalogu norem spotřeby času Monitoring dodržování norem Výsledky byly dosažené v jednotlivých oblastech: Montáž Lisovna plastů Lakovna Svařovna Obrobna Byla dosažena úspora ve výši několika desítek procent jen na časech. Úspory na časech byly doplněny o 63 zjištěných nedostatků u kterých se očekával značný potenciál. 4.4 Demag Cranes & Components spol. s.r.o. Společnost zaměřená na výrobu jeřábů. Cílem tohoto projektu bylo: Optimalizace časového hospodářství výroby rámu koček EZDR s využitím prvků štíhlé výroby 36

37 o o o Zvýšení produktivity práce Objektivizace norem spotřeby času dle REFA metodiky Základní audit štíhlé výroby Požadovaných výstupů byl použit tento postup: Pracovní proces normování práce o Sledování a optimalizace časového hospodářství svařovaných rámů koček EZDR ve výrobě. Sledované oblasti: o o Analýza pracovních procesů dle REFA metodiky seznámení se s pracovištěm Přímé měření na pracovišti o o o Stehování Svařování Rovnání po svaření Povrchová úprava tryskání Lakování směnový přídavek ( zv Verteilzeitzuschlag) časy operací přípravné časy výkonnostní stupeň pracovníků Na základě měření optimalizace stávajících postupů Srovnání naměřených časů rozdíly Stanovení a úprava norem spotřeby času dle REFA metodiky Pracovní proces racionalizace, štíhlá výroba o o o Analýza pracovních procesů dle REFA metodiky Vytvoření seznamu nedostaků v každé sledované oblasti Zpracování konkrétních návrhů na zlepšení současného stavu, včetně detailních popisů o o o o o Pracovní postupy Přípravky Šablony Zařízení a používané nářadí Tok materiálu Uspořádání pracoviště Průběžná doba výroby stávající stav, možnosti MUDA 1-7 5S Přidaná hodnota Workflow Po aplikaci metodiky REFA bylo dosaženo těchto výsledků: 5 Objektivní stanovení norem spotřeby času Úspora časů v některých oblastech od 10% do 30% Rozsáhlý soupis nedostatků pro každou oblast Potenciál v nedostatcích v jednotlivých oblastech v řádek několika desítek minut Závěr S přibývající komplexitou plánovacích úkolů se zvyšují i požadavky na plánovače. Často je jediný plánovač přetížený. Proto je účelné pro zvládnutí plánovacích úkolů posílit plánovací kapacitu na omezenou dobu. K tomu lze například vytvořit plánovací tým skládající se z pracovníků z různých odborně způsobilých oblastí podniku. Právě tak lze toto provést pomocí angažování externích plánovacích sil. Kvalita plánování se zvyšuje, pokud jsou k dispozici průběžné, metodicky vypracované a vyhodnocené dokumentace všech podkladů plánování a výsledky plánování. V podnikové praxi se také ukazuje, že mnohé postupy u plánování pracovních systémů neprobíhají v takové přímé linii, jak je systematika plánování popisuje. Často je potřeba opakované propracování stupňů plánování, protože s pokrokem plánování se zviditelňují další problémy. Tak mohou například při utváření toku materiálu vzniknout změny ve výběru výrobní nebo montážní struktury, a tyto spolu nesou opět změny ohledně zatížení nebo potřebné kvalifikace pracovníků. Silné závislosti v součinnosti lidí, techniky, organizace a informací vyplývající z pracovních systémů jsou zvláště při plánování zjevné. 37

38 Aplikace systematiky plánování REFA zajišťuje vyřešení těchto dodatečných obtíží při plánování a dosažení vysoké kvality plánování. Poděkování Touto cestou bychom rádi poděkovali společnosti Racionalizační agentura s.r.o. se sídlem v Plzni, která je jedinou společností v ČR, která se zabývá aplikací metodiky REFA, především za poskytnuté materiály a poznatky. Literatura [1] Interní materiály společnosti Racionalizační agentura s.r.o. [2] REFA Verband für Arbeitsstudien und Betriebsorganisation e.v. (Hrsg), München: Hanser, 1991 (Methodenlehre der Betriebsorganisation) Abstract Article: Objectification of data for production planning metodology REFA Author: Bozděch Jan, Ing. Duchek Vladimír, Doc., Ing..,Ph.D. Workplace: Faculty of Mechanical Engineering, University of West Bohemia Keywords: objectification, production planning, REFA methodology, data The article discusses the objectification of data for planning REFA methodology. Industrial experience shows continually, that measures to improve processes of implementation and selection is often only intuitive. This has the effect that the possible rationalization of effects for competitiveness is not widespread. Using a systematic process to plan appropriate work tasks before implementing the proposed changes, by contrast, can often avoid expensive finishing work during production and thus reduce costs and generate profits faster. Complex consideration of planning requires orderly thinking and a systematic approach. The process is conducted in stages so that steps are systematically eliminated in connection with existing business systems, and reformed with meaningful connections to elements of the business system. A suitable instrument for such work systems is REFA planning. This illustrates the methodological basis for systematic calculation. Its application provides high-quality planning. The first half of this contribution is devoted to introducing the theory into the methodology which, using theoretical knowledge, experience and technical creativity can start companies thinking about the process of continuous improvement. The results obtained are evidence that this system of work can bear fruit in the form of increased productivity with minimal implementation costs. In several of the studies it is shown what results this methodology can achieve.. It is a universal methodology that can be applied to different processes. Another important area is determining the level of performance. Here REFA also recorded significant achievements in finding the right values and thus shows all the places where it can be applied. It extended tothe Czech Republic in 2005 and since then has seen significant development. This is further proof of its quality. 38

39 Využitelnost skladovacích prostor v TTS Polak s.r.o. Burešová Antonie Ing. ČVUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav technologie obrábění, projektování a metrologie, Česká republika Anotace V tomto článku se pojednává o situaci ve slévárně tlakového lití. Jde o vyřešení problémů v expedičním skladu. Skladovací kapacita není postačující a musí být nalezeno řešení, jak kapacitu navýšit, aniž by došlo k stavebním úpravám. Dalším problémem je umístění nevhodných pracovišť ve skladu a nevhodný materiálový tok. V druhé části článku jsou navržena a zpracována možná řešení. Díky nim je možné dosáhnout zvýšení počtu paletových míst a nemusí dojít k přestavbě či výstavbě nových skladovacích budov. Jedním z řešení je přesunutí všech výrobních i nevýrobních činností do výrobní haly a do uvolněného prostoru se umístí regály. Toto řešení není ale postačující a kapacita skladu není dostatečná. Další možností zvýšení počtu skladovacích míst je přesun některých hotových a zabalených výrobků mimo prostor expedičního skladu. Nejvhodnější řešení je uvedeno v článku. Klíčová slova: kapacita skladovacích prostor, materiálový tok, slévárna, přeprava 1 Úvod Článek pojednává o řešení situace v expedičním skladě slévárny tlakového lití. Problém nastal po sjednání nových zakázek, jak od stávajících zákazníků, tak i od zákazníků nových. Z důvodu zvyšování objemu výroby a nízkého počtu skladovacích míst je nutné zvýšit skladovou kapacitu expedičního skladu, aniž by došlo k razantním stavebním úpravám a byly splněny zásady správného chodu materiálového toku [1]. Předpokládaný vývoj potřeb paletových míst na období zvýšení zakázek je znázorněn na Obr. 1. Obr. 1: Vývoj počtu potřebných paletových míst [2] Fig. 1: Development of required pallets [2] Pozn.: Stávajícím stavem paletových míst před navýšenými zakázkami je rozuměno 360 jednotek Počty paletových míst byly spočítány z plánu skladových zásob jednotlivých výrobků podle kusů v jednom obalu a následně podle počtu kusů těchto obalů na jedné paletě. Vypočtené množství je nutno brát pouze jako odhad. Data, ze kterých byly výpočty provedeny, jsou totiž pouze výhledem výroby a mohou se v průběhu roku lišit. Přesto je zřejmé, že potřebný počet paletových míst má stoupající tendenci. 39

40 2 Návrh nového toku materiálu a dispoziční řešení Předpokládaný potřebný počet paletových míst bude v průběhu roku více jak dvojnásobný než je stávající počet, což ukazuje Obr. 1. Pro zvýšení počtu paletových míst existuje více řešení. Jedním z nich je zvýšení počtu skladových míst ve stávajícím skladu, dalším může být přestěhování části skladových zásob mimo sklad nebo přestěhování celého skladu na jiné místo. Pro variantu zvýšení počtu paletových míst ve stávajícím skladu je navrhnuté dispoziční řešení i s vyznačeným materiálovým tokem znázorněno na Obr. 2. Tok materiálu je navržen tak, aby splňoval nejpřímější dopravní cesty bez zbytečných křížení a zpětných pohybů. Při takto dispozičně řešeném skladu má tok materiálu mnohem přímější dopravní cesty bez zbytečných křížení. Výrobky po vstupu do expedičního skladu jsou převezeny přímo do prostoru balicího a kontrolního pracoviště. Zkontrolované a zabalené výrobky se expedují ihned nebo se uskladní a jsou expedovány později. Obr. 2: Tok materiálu expedičním skladem nové řešení [2] Fig. 2: The flow of material in the dispatch store - new solutions [2] Díky tomuto návrhu byla přestěhována pracoviště strojní a ruční apretace a pracoviště omílání mimo sklad, do výrobní haly za licí stroje. Do uvolněného prostoru se přestěhovala pracoviště pro balení a kontrolu. Vytvoření nového balicího a kontrolního pracoviště si vyžádalo pouze malých stavebních úprav, a to probourání příčky mezi stávajícími pracovišti omílání a apretace. Při přesunutí všech výrobních i nevýrobních činností zůstane celý prostor skladu prázdný a je tedy možné jej využít pro rozmístění skladovacích regálů [3]. Regály v navrhnutém dispozičním řešení skladu jsou umístěné podobně jako ve stávajícím skladu. Je přidána jedna řada jednořadých příhradových regálů k levé stěně skladu. Dále jsou přidány příhradové regály v místě, kde byla balicí a kontrolní pracoviště. Tímto navrhnutým dispozičním řešením lze zvýšit počet paletových míst ze současných 360 na přibližně 450 až 500 paletových míst, jak bylo zmíněno výše. Toto řešení není ale postačující a kapacita skladu není dostatečná. Další možností zvýšení počtu skladovacích míst je přesun některých hotových a zabalených výrobků mimo prostor expedičního skladu například do nástrojárny. Jinou variantou je přesunutí části skladovaných výrobků do sousední haly. Tuto halu by však bylo potřeba pronajmout, protože není ve vlastnictví firmy. Nevýhodou těchto řešení je fakt, že všechny výrobky nebudou na jednom místě a pro převoz výrobků do vedlejší haly nebo do nástrojárny jsou potřeba další manipulační činnosti, které by zvyšovaly koncovou cenu výrobku o náklady na tuto manipulaci. Jako nejracionálnější řešení se jeví snížení skladových zásob na minimální úroveň. Toho lze dosáhnout přesnějším plánováním výroby vzhledem k potřebám zákazníka bez zbytečné výroby na sklad. Neustálé zvyšování skladových zásob vede ke zvyšování nákladů na skladování a na manipulaci. Dalším ekonomickým dopadem případného snížení skladových zásob je snížení financí vázaných v hotových výrobcích. Pokud by se podařilo přesným plánováním výroby a s tím spojeným plánem expedice minimalizovat počet potřebných paletových míst, je možné realizovat první návrh, který počítá se zvýšením počtu paletových míst ve stávajícím 40

41 skladu a odpadly by tak náklady na pronájem a přestavbu vedlejší haly nebo nástrojárny. Nebylo by potřeba žádných dalších nákladů spojených s nadbytečnými manipulačními činnostmi. 3 Závěr Jak již bylo zmíněno, jako nejracionálnější řešení se jeví snížení skladových zásob na minimální úroveň a snížit tak finance vázané v hotových výrobcích. Přesun apretace a strojního omílání navýší počet skladovacích míst, i když není dostatečný. Při navrhování nového dispozičního řešení skladu je vždy potřeba přihlédnout ke všem zásadám pro manipulaci s materiálem. Nové dispoziční řešení by mělo přispět ke zvýšení počtu skladovacích míst a k odstranění nadbytečné manipulace s materiálem. Toto snížení počtu manipulačních činností vede ke snížení nákladů na manipulaci. Poděkování Článek vznikl v rámci projektu FR-TI1/028 Optimalizace nákladového controllingu a systému jakosti ve slévárně Polak s.r.o. v rámci programu TIP organizovaného MPO ČR. Literatura [1] ZELENKA, A.; PRECLÍK, V. Racionalizace výroby. Praha: Vydavatelství ČVUT, s. ISBN [2] KOŠŤÁLEK, J. Bakalářská práce Tok výrobků a přepravních obalů v expedičním skladu ve slévárně POLAK spol.s.r.o., s. [3] POSKOČILOVÁ, A. Skladové hospodářství ve firmě POLAK s.r.o., Výzkumná zpráva U12134/2009/005, vydaná na ČVUT v Praze, Fakultě strojní, Ústavu technologie obrábění, projektování a metrologie, Praha, listopad 2009 Abstract Article: Utilization of warehouse space in TSS Polak s.r.o. Author: Burešová Antonie, MSc. Workplace: Faculty of Mechanical Engineering, CTU in Prague, Department of Machining, Process Planning and Metrology, Czech Republic Keywords: capacity of warehouse space, material flow, foundry, transportation This article discusses the situation in the die casting foundry. It suggests the solutions to the problems in the dispatch store. Storage capacity is not sufficient, so they have to find the solution to increase capacity without structural modifications. There are also problems with inappropriate workplace placement inside the warehouse and inappropriate material flow. Figure 1 shows how many pallets are needed compared to the current state. An increase of pallets would be the ideal state. Figure 2 shows the new layout, where the machinery and the hand-operated finishing and tumbling workplaces are moved into the production hall and instead of them there are packaging and quality control workplaces. The freed space is filled with shelves. The new layout should contribute to increase the storage capacity and remove unnecessary material handling. Another option to increase the storage capacity is moving the finished products out of the dispatch store. However this solution has also disadvantage. All the productucts are not in the one place and the additional handling is needed for transportation between the halls. That fact obviously increases the retail price a bit. The most reasonable solution would be reducing inventory levels to a minimum and reduce money tied up in the finished products. That can be achieved by more accurate production planning without redundant production affixed to the warehouse. The steady growth in inventories leads to increased costs for storage and handling. After all it is possible to realize the first recommendation that not carries extra costs for hiring the new halls and it increase the number of pallet places in current storage capacity. There also shouldn't be needed any additional costs for unnecessary handling. 41

42 Study of Deformation Processes after Hard Turning through Acoustic Emission Doc. Ing. Mária Čilliková, PhD., prof. Dr. Ing. Miroslav Neslušan, prof. Ing. Anna Mičietová, PhD., Ing. Jozef Mrázik Department of Machining and Manufacturing Engineering, Faculty of Mechanical Engineering, University of Žilina, Univerzitná 1, , Slovak Republic, Introduction into problems - The paper deals with analysis of deformation processes and related aspects of the chip formation as the chip thickness, the chip ratio and the shear angle during turning hardened steel 100Cr6. This paper investigates influence of feed on the mentioned aspects through the metallographic analysis, calculation of the significant aspects of deformation processes and the following experimental study. This experimental study is based on application acoustic emission sensors. The results in this study reports that feed significantly does not affect such parameters as the chip ratio, deformation angle in the cutting zone. On the other hand, experimental study indicates that increasing of feed in hard turning causes increasing of the process instability and increasing intensity of deformation processes in the cutting zone. Keywords: turning, hardened steel, chip segmentation, acoustic emission 1 Introduction Development in machine tools as well as in process technology focus on cutting hardened steel and rapidly lead to a high raised industrial relevance of hard cutting. In fact, hard cutting can seriously be regarded as an alternative for grinding operations under certain circumstances. High flexibility and the ability to manufacture complex workpiece geometry in one-set represent the main advantages of hard cutting in comparison to grinding [1]. Continuous chip is formed during the turning conventional steels in the annealed state. On the other hand, there is the formation of the segmented chips during the hard turning [2, 3, 4]. Fig.1 illustrates the segmented chip in turning hardened steel 100Cr6. Recht [3] introduced the adiabatic shear theory to characterize the chip segmentation process during the hard turning. The thermoplastic instability is where a decrease in flow stress due to thermal softening associated with increase in strain more that offsets the associated strain hardening [4]. Process of plastic deformation in the cutting zone affects many aspects of the cutting process. Previous studies [5, 6, 7] report about significant influence of cutting speed on deformation processes in the cutting zone (chip ratio, shear, chip speed, chip deformation). These investigations showed that chip ratio, equivalent strain or chip deformation decreases with increasing cutting speed while the degree of the chip segmentation, deformation angle, chip speed or shear speed significantly increases with the cutting speed. These analyses indicate the quasi stable intensity of deformation processes in the cutting zone with relation to the undeformed chip thickness. On the other hand, increasing chip thickness increases the volume of machined material in the cutting zone and leads to formation of massive segments (increasing length and thickness of segment) [8]. During formation of massive segments propagation of the crack from the free surface is much longer and related segmentation frequencies decreases. At low feed, the undeformed chip thickness is considerably low; segmentation frequency is high because of formation of small segments. This aspect strongly affects stability of process. However, it has been found [7] that the ratio of the maximum plastically deformed chip thickness is nearly constant and close to 0,4 except at very low feed of 0,025 mm. And so, the aim of this paper is to investigate intensity of processes in the cutting zone in relation to the undeformed chip thickness (feed) through the conventional approach based on the metallographic analyses of segmented chips and the next calculations and comparison with experimental data based on application of accelerometers and acoustic emission sensors. 2 Metallographic observations The general aim of taking metallographic chip samples has been to analyze the significant parameters of deformation processes in the cutting zone during hard turning. Experimental setup and cutting condition are in Table 1. Fig. 1 shows chips where periodic cracks can be observed. Parameters as chip ratio, or deformation angle were calculated. 42

43 Tab. 1. Experimental conditions during hard turning. TiC reinforced Al2O3 ceramic inserts DNGA (TiN coating), rake angle γn= -7º 100Cr6 (hardened - 62 HRC, and annealed 27 HRC), external diameter 56 Work material: mm, internal diameter 40 mm, 125 mm long vc = 100 m.min-1, f = 0,05 to 0,271 mm, Cutting condition: ap = 0,25 mm (constant), dry cutting Machine tool: CNC Lathe Hurco TM8 The chip thickness was measured by an optical microscope. Cutting tool: Measurement of chip thickness was carried out on the optical microscope and through the measurement of the etched chips on Fig. 1. The measurement of the chip thickness (hc) enables to calculate the chip ratio (equation (1)) and other related parameters such as deformation angle φ1. K= hc h (1) where h is the undeformed chip thickness and hc is the chip thickness. The deformation angle can be calculated through the equation (2). tgφ 1 = cos γ n K sin γ n (2) a) vc = 100 m.min-1, f = 0,051 mm b) vc = 100 m.min-1, f = 0,09 mm c) vc = 100 m.min-1, f = 0,21 mm d) vc = 100 m.min-1, f = 0,271 mm Fig. 1 Influence of feed on shear localized steel chip, 100Cr6 hardened (62HRC) Formation of the segments during the turning hardened steel causes its elongation and decreasing of the chip thickness. As a result of formation of the thin and long chips, the chip ratio is smaller than 1 (Fig. 2) in the contrary to the turning annealed steel (the thick and short continuous chip and so the chip ratio is more than 1). 3 annealed 2,5 hardened annealed 40 Φ1(º) 2 K 1,5 1 hardened , ,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 f (mm) f (mm) Fig. 2 Influence of feed on chip ratio Fig. 3 Influence of feed on deformation angle 43

44 Intensity of plastic deformation is much lower during hard turning in comparison with turning the annealed steel. The low intensity of plastic deformation is attributed to the material inside the segment. Plastic deformation inside the segment is low and material in this area stays untouched. Although, the plastic deformation in the localized areas of the segmented chip is extremely high (white areas), the total deformation of segmented chip is much lower that that for continuous chip (during turning annealed steel). On the other hand, chip thickness and length significantly changes with feed in the case of hard turning. It can be easily observed that the specific process of chip segmentation leads to the thinning of the plastically deformed region as the chip moves up the tool face. The significance of the thinning of the plastically deformed region as the chip moves up the tool face is that this gives rise to a chip ratio less than one. This is usually case of when hard steel is turned with a negative rake tool. Important consequence is that the chip speed will be greater than the cutting speed and the shear angle will be greater than 45º. Character of segments strongly depends on distribution of stress and temperature in the cutting zone. Fig. 3 illustrates that feed does not affect the shear angle and so the dimension of the formed segment depend on the simple geometry approach outgoing from the undeformed chip thickness and the shear angle. Fig. 2 illustrate that chip ratio is nearly constant in spite of wide variation of feed. This analysis indicates that the undeformed chip thickness does not significantly affect these aspects because undeformed chip thickness does not change ratios considering the distribution of stress and temperature in the cutting zone. 3 Experimental study Dynamic forces that fluctuate at a frequency over 10 khz are difficult to measure. Shaw, Vyas [9] investigated that for the cutting speed 100 m.min-1, feed 0,28 mm and hardness of case carburized steel (62 HRC) the segmentation frequency is about 18 khz. A conventional piezoelectric dynamometer limits the frequency response to about 3,5 khz. A conventional accelerometer limits the frequency response to about 20 khz. On the other hand, acoustic emission techniques enable to investigate processes that fluctuate at a frequency over several MHz. Acoustic emission is transient elastic waves due to the rapid energy release from a localized source within a material when subjected to stress. AE sources can be dislocation movements, deformation, inclusion fracture, and crack propagation. The AE non-destructive technique is based on detection and conversion of these high frequency elastic waves to electrical signals. AE signals can be classified into two types [10] as either continuous-type AE signals or burst-type AE signals. Continuous signals are associated with shearing in the primary zone and wear on the tool flank while burst type are observed during crack growth in the material, tool or material fracture or chip breakage. Except the conventional process monitoring, AE can be applied for analysis of chip form and chip flow. The chip formation during machining of hardened steel working out criteria for crack initiation and propagation. Strong elastic waves related to the crack formation during the segmented chip formation can be detected through the AE systems [11]. Commercial piezoelectric AE sensors (D9241A - frequency range from 20 to 180 khz, WD frequency range from 100 khz to 1000 khz) by Physical Acoustics Corporation (PSC) were mounted on the top of the tool holder using (Fig. 4). To maintain a good propagation of signals from the tool holder to the sensor, a semi-solid high vacuum grease was used. During the experiment, the AE signals were amplified, high passed at 20 khz, low passed at 1000 khz, and then sent through a preamplifier at a gain 40 db to the signal processing software package. All cutting tests were performed on the CNC Lathe. The signals were real-time sampled, amplified, digitized, and then fed to the signal processing unit. The AE signals were post-processed using AEwin. Formation of massive segments under the high feed (0,271 mm) corresponds with the high amplitude of segmentation frequency. Decreasing of feed decreases this amplitude and the signal is loaded with the process noise. At low feed, the undeformed chip thickness is low. The material ahead of the tool rake is under intense compressive stress state. In such a case, large volume of material becomes fully plastic. Amplitude of the AE signal is increasing with feeds and is related to the relaxation process of stress ahead of the cutting edge and crack propagation in the shear region. According to the theory of the crack propagation and segment formation, the change of the amplitude of acoustic emission indicates the change of the sliding velocity at the tool-chip interface. Many pulses like signal are observed AE signal corresponding to the periodic fluctuation (relaxation character) of the cutting process. The signal level of the AE between these pulses is quite small. In the segmented chip formation, the chip slide over the rake face with varying speed corresponding to the period of the fracture of the shear plane. Fig. 7 shows this relaxing and periodic character of the signal for feed 0,051 mm and the related character of FFT spectrum (Fig. 5) of AE signal with the periodic peaks in this spectrum. This character of FFT spectrum confirms the dominant periodic character of recorded signal and ability of D9241A AE sensor (frequency range from 20 khz to 180 khz) to detect the periodic process typical for the segmented chip formation. The segmentation frequency of this feed (0,051 mm) lie in the frequency range of D9241A AE sensor segmentation frequency is from 16 to 90 khz, 90 khz for feed 0,051 mm). Fig. 5 shows the FFT spectrum for feed 0,051 mm with evidence of the periodic peaks in this spectrum. On the other hand, the segmentation frequencies for feed 0,21 mm (18 khz) lie outside of frequency range of 44

45 both AE sensor and the periodic peaks in the FFT spectrum are missing. Moreover, Fig. 8 illustrates that character of AE signal for this feed does not fit exactly the real periodic character of deformation processes in the cutting zone. This signal is partially deformed and the periodic character is violated because of the mismatch between the segmentation frequency of formed chip and frequency range of the applied AE sensor. Moreover, FFT spectrum of AE signal is without the significant periodic peaks in this spectrum (Fig. 6). Considering the AE sensor WD (frequency range form 100 to 1000 khz), all segmentation frequencies lie outside of the frequency range of this sensor and the periodic character of AE signal is missing. FFT spectrum of AE signal for the WD sensor is without the periodic peaks in this spectrum (Fig. 9, 10, 11 and 12). Fig. 4 Schematic of experimental setup Fig. 5 FFT spectrum for D9241A sensor, f = 0,051 mm Fig. 6 Signal of AE for D9241A sensor, f = 0,21 mm Fig. 7 Signal of AE for D9241A sensor, f = 0,051 mm Fig. 8 FFT spectrum for D9241A sensor, f = 0,21 mm Fig. 9 Signal of AE and application of WD sensor, f = 0,051 mm Fig.10 Signal of AE and application of WD sensor, f = 0,21 mm 45

46 Fig. 11 FFT spectrum for WD sensor, f = 0,051 mm Fig. 12 FFT spectrum for WD sensor, f = 0,21 mm Fig. 13 Influence of feed on RMS value of AE signal Fig. 14 Influence of feed on strength of AE signal It was reported in the previous chapters that AE signals can be classified into two types as either continuous-type AE signals or burst-type AE signals. Continuous signals are associated with shearing in the primary zone, in the tool chip and tool workpiece contact. These processes are can be investigated and detected with application of the WD AE sensor, because the signal related to chip segmentation (crack propagation) are out of frequency range of the segmentation frequency. Fig. 9 and 10 illustrate that intensity of AE signal for WD sensor is increased with the feed and should be associated with the increasing intensity of friction processes in the cutting zone in relation to increasing feed. Fig. 15 Cutting zone for hard cutting Ia) microcracked and plastically deformed shear zone Ib) cracked region, II) tool chip contact, III) tool workpiece contact Fig. 9 and 10 show that amplitude of AE signal in the time scale is much higher for high feed. Moreover, amplitudes of related frequencies in the FFT spectrum (Fig. 12) are exited above the 50dB in the whole frequency range for feed 0,21 mm while amplitudes in the frequency spectrum for feed 0,09 mm are lower (Fig.11). Application of D9241A sensor is limited for these analyses. The burst type AE signal (related to the crack propagation) superposes with signal from the tool chip and tool workpiece interface and so raises the difficulties for investigation of processes in these regions. Segmentation frequencies lie in the range of D9241A sensor. These frequencies are associated with the crack formation and its propagation in the shear zone. Signal associated with a crack formation and its prolongation in the shear zone is very strong (amplitude of AE signals for all feed is on maximum 100dB) and generates the massive low frequency noise concerning friction process in the shear zone, tool chip and tool workpiece contact (Fig. 15). AE signals recorded by D9241A sensor are not sensitive to friction processes related to plastic deformation in the cutting zone. Fig. 13 and 14 show that RMS value and signal strength of AE signal do not vary significantly with increasing feed. 46

47 On the other hand, the frequency range of WD sensor lie above the segmentation frequencies and so the low frequency limit 100 khz of WD sensor represent the high pass filter. RMS values, strength and absolute energy of AE signal are increasing with increasing feed (Fig. 13 and 14) and should be associated with increasing intensity of deformation process in the cutting zone. These processes are dissipated to the narrow white areas in the shear zone (white zone because of plastic deformation in this zone in the contrary to crack formation in the area without occurrence of structure transformation) and tool chip, tool workpiece contact. Sensitivity of AE signals concerning intensity of the real deformation processes in the cutting zone can be illustrated through the comparison of AE signal and FFT spectrums during conventional (annealed steel) turning and hard turning. The analytic approach shows that the chip ratio is higher for conventional continuous chip (Fig. 2) but amplitude of AE signal and exited amplitudes are significantly lower. While amplitude of AE signal during hard turning oscillates between ± 10000mV, formation of continuous chip leads to oscillation in the scale ± 100 mv. The conventional analytical approach does not enable to evaluate the real intensity of deformation processes in the specific zones of cutting process because take into the consideration the whole chip. Calculated values do not reflect non homogeneity of deformation processes during hard cutting but provide information about the average value across the whole chip. On the other hand, experimental study can identify the real intensity of this specific process. 4 References [1] Tonshoff, H.K. - Arendt, C - Ben Mor, R.: Cutting of Hardened Steel, CIRP Annals 49/2/200, p [2] Shaw, M.C.: The Mechanism of Chip Formation with Hard Turning Steel, CIRP Annals 47/1/1998, p [3] Recht, R.F.: Catastrophic Thermoplastic Shear, Trans ASME, 86 (1964), p [4] Nakayama, K. Arai, M. Kanda, T.: Machining Characteristics of Hardened Steels, CIRP Annals 37/1/1988, p.8992 [5] Komanduri, R. - Brown, R.H.: On the Mechanics of Chip Segmentation in machining, J. of Eng. For Ind. Trans. ASME, 1981, 103:33-51 [6] Koning, W. - Berktold, A. - Koch, K.F.: Turning versus Grinding-A comparison of Surface Integrity Aspects and Attainable Accuracies, CIRP Annals, 1993, 42/1, [7] Poulachon, G. - Moisan, A.: Contribution to the Study of the Cutting Mechanism during High Speed Machining of Hardened Steel, CIRP Annals, 47/1/1998, p [8] Elbestawi, M. A. - Srivastava, A. K. - El-wardany, T. I.: A Model For Chip Formation During Machining of Hardened Steel, CIRP Annals 45/1/1996, p [9] Shaw, M. C. Vyas, A.: The Mechanism of Chip Formation with Hard Turning Steel, CIRP Annals 47/1/1998, Pages 7782 [10] Dornfeld, D. A.: Acoustic emission in monitoring and analysis in manufacturing, Proceedings of AE Monitoring. Anal. Manuf. 14 (1984) Page 124 [11] Inasaki, I.: Application of acoustic emission sensor for monitoring machining processes, Ultrasonics 36 (1998), Pages

48 Počítačová podpora pro programování řídícího systému SINUMERIK 840D Čuboňová Nadežda, doc. Ing. PhD., Katedra automatizácie a výrobných systémov, Strojnícka fakulta, Žilinská univerzita v Žiline Aplikace číslicově řízené výrobní techniky a počítače podporovaných technologií v průmyslových firmách je v současných podmínkách předpokladem pro jejich konkurenceschopnost, protože umožňují automatizovat výrobu i předvýrobní etapy, zkracovat inovační cyklus a zvyšovat kvalitu výroby. Nepřetržitý vývoj a rozmach počítačových systémů, a také potřeba šíření informace přináší do světa elektronických vzdělávacích systémů neustále jak nové poznatky tak programy pro jejich tvorbu, které rozšiřují a vylepšují možnosti zpracování informací. Tento článek je zaměřen na problematiku využívání informačních a komunikačních technologií pro oblast programování CNC strojů. Nastiňuje možnosti tvorby a využití počítačové podpory ve vzdělávaní při přípravě řídících programů pro řídící systém SINUMERIK 840D. Klíčová slova: řídící systém, CNC stroje, SINUMERIK 840D,web aplikace 1 Úvod Rychlý rozvoj strojírenské výroby v posledních létech vyvolává potřebu rychlého zavádění moderních strojírenských technologií. K těmto technologiím už neodmyslitelné patří také automatizace konstrukčního procesu a procesu technologické přípravy výroby včetně přípravy programů pro CNC výrobní stroje a zařízení. Tvorba programu pro CNC obráběcí stroj si od technologa programátora vyžaduje ovládání množství znalostí o technologických možnostech stroje, o řídícím systému stroje, o zápisu formátu NC programu, znalosti ovládání a obsluhy řídícího systému příslušného CNC stroje. Dnes existuje více úrovní programování CNC obráběcích strojů. Ve strojírenské praxi nepoužívá několik programovacích řídících systémů, např. FANUC, HEIDENHAIN, SIEMENS, SINUMERIK, FAGOR a další. CNC řídící systémy jako součást obráběcích strojů (soutruhy, frézky, obráběcí centra) obsahují vlastních, tzv. programovací jazyky, které jsou tvořeny příslušnými NC kódy. Kódy tvoří výsledný NC program, na jehož základě je vyrobena součástka. Struktura, význam a syntaxe jednotlivých NC kódů jsou pro určité typy CNC řídících systémů podobné či odlišné. Článek představuje možnosti využití informačních a komunikačních technologií při přípravě řídících programů pro CNC stroj. Představuje způsob tvorby a uplatnění web aplikací a multimediálních prostředků ve vzdělávaní absolventů studijního programu Automatizované výrobní systémy (AVS). V současnosti směřuje vývoj v oblasti moderních způsobů realizace vzdělávacího procesu k využití informačních a internetových technologií v maximální možné míře. Tyto technologie se stávají pomůckou nejen každodenního života, ale i neodmyslitelnou součástí firemního vybavení. Jejich použití sahá přes komunikaci, odborné výpočty a konstruktérské práce, nevynechávajíc širokou oblast marketingu, až ke vzdělávání a výuce pomocí multimediálních informačních systémů. Současné možnosti audiovizuální a multimediální techniky způsobují základní změny ve vnímání, v přístupu a v prezentaci informace jako takové. Multimédia a hypertextové prostředí s optimálním uživatelským rozhraním představují cestu ke zvýšení představivosti, k rychlejšímu pochopení analyzovaného problému. Zvláště v technické výchově vytvářejí tyto prostředky zcela nové odborné možnosti přístupu k určitým informacím. Na komunikaci s uživatelem využívají text, videozáznamy na promítání reálných experimentů, animace, které modelově zobrazují určité procesy, zvuk a to vše je popropojované interaktivními linkami. Nejdůležitější částí multimediálních programů je jejich praktické začlenění a maximální využití, zabezpečující interaktivní odezvu uživatele. Nasazení komunikačních systémů ve výuce vede k novému didaktickému strukturování učebního procesu. Multimediální technické aplikace v současnosti většinou zahrnují prezentaci laboratorních experimentů v laboratořích, využití počítačových animací, které demonstrují zvolená témata a také využití multimediálních prezentací na podporu studentských příprav na výuku, resp. na laboratorní pokusy. Ve snaze využívat nejmodernější a progresivní nástroje při výuce vznikla i na Katedře automatizace a výrobních systémů (KAVS) Žilinskej univerzity potřeba vytvořit a využívat web aplikace a multimediální programy sloužící pro podporu vzdělávání. Hlavní studijní předměty z oblasti automatizace výrobních procesů si vyžadují jiný přístup k prezentaci informace. Katedra má dlouhodobě zkušenosti s využíváním informačních technologií a tvorbou vzdělávacích podpor zejména v oblastech: CNC stroje a jejich programování, využití moderních CAD / CAM systémů, programování a aplikace průmyslových robotů a manipulátorů. 2 Metodologie výuky programování CNC strojů V oblasti obrábění je současným trendem široké nasazení CNC strojů začleněných do konstrukčně technologického řetězce CAD-CAM-CNC tak, aby byl jejich potenciál co nejlépe využitý. Na samotnou výrobu a její produktivitu mají přímý dopad hlavně vlastnosti CAD/CAM systému použitého při programovaní CNC 48

49 stroje, vlastní výroba na CNC stroji, která by měla být z časového hlediska co nejefektivnější, ale v neposlední řadě i kvalifikovanost technologů, programátorů i obsluhy CNC strojov. Na KAVS se výukové kurzy programování CNC strojů konají v nové "Laboratoři programování CNC strojov " (obr. 1). Tato laboratoř je vybavena výukovým CNC strojem EMCO Concept Turn 55 (obr. 2). Obr. 1 Laboratoř programování CNC strojů Fig. 1 Laboratory of programming CNC machines EMCO Concept Turn 55 je 2-osý CNC soustruh řízený PC. Patří do skupiny univerzálních CNC soustruhů určených pro výuku technologie obrábění, programování NC strojů a soustružení. Vzhledem k výkonu motoru je na stroji možno obrábět lehce obrobitelné materiály, jako jsou slitiny hliníku, zejména dural, slitiny mědi jako mosaz a bronz a plastické hmoty. Ke stroji je možné v budoucnu připojit automatizační prvky, jako např. automatické otvírání a zavírání dveří, elektromechanický koník, či možnost integrace pomocí FMS a CIM systémů, které představují počítačovou podporu umožňující automatizovanou podporu všech častí od tvorby výrobku až po jeho expedici včetně manipulace. Obr.2 CNC soustruh Emco Concept Turn 55 a řídící panel Siemens Fig.2 CNC machine EMCO Concept Turn 55 and control panels Siemens.Na stroji je možné použít více řídících systémů. Výměna řídícího systému probíhá prostřednictvím otevření příslušného sofware pro daný řídící systém a také výměnou řídících panelů náležejícím příslušnému řízení. Čas výměny řídících panelů je řádově několik minut. Náš stroj je vybaven řídícím systémem Sinumerik 840D (Siemens) - Obr.2. Laboratoř je mimo stroje vybavena 10 PC stanicemi s ovládacími panely Sinumerik 840D a řídícím software Emco WinNC. Studenti zde mohou získat základní informace jak připravit vstupní data pro řídící systém stroje, jak odladit vytvořený program na počítači a jak použít NC program při výrobě na NC stroji. Sinumerik 840D je součástí vyměnitelného řídícího software EmcoWinNC (obr. 3). EmcoWinNC umožňuje uživateli software naučit se až osm různých, běžně používaných řídících systémů (SINUMERIC, Haidenhain, FANUC..) na jednom počítači. Rízení Sinumeric 810D/840D odpovídá obsluze a funkcím originálního řízení a je možné ho použít na běžném PC. Student má možnost pracovat na PC stejně jako na stroji a má možnost seznámit se detailně se všemi aspekty programování příslušného řízení. 49

50 Obr. 3 Vstupní obrazovka a uživatelské prostředí software EmcoWinNC Fig.3 The entry screen and user interface of software EmcoWinNC 3 Web aplikace pro podporu programování soustruhu EMCO Concept Turn 55 s řídícím systémem Sinumerik 840D Pro zefektivnění výuky programování soustruhu Emco Concept Turn 55 a software WinNC pro řídící systém SINUMERIK 840 D byly vytvořeny na KAVS web aplikace, které zahrnují základní informace o CNC stroji a pracovním prostředí řídícího software. Základním požadavkem pro vytvoření web aplikací bylo to, že programy musí byť jednoduché, transparentní, univerzální a v budoucnosti je bude možno jednoduchým způsobem doplňovat a upravovat. S ohledem na velikost a účel webu byly na tvorbu aplikací použity volně dostupné vývojové produkty (Camtasia Studio 7, Microsoft Office FrontPage). Pre vytvoření web aplikace bylo především nutné: zpracovat textové informace pro naplnění obsahu jednotlivých aplikacíi ovládání stroje a řídícího software Win NC, vytvořit animace programu pro ovládání stroje i řídícího software ve formátu Flash, který používá software Camtasia Studio 7, zahrnout vytvořené animace na webové stránky, v prostředí Microsoft Office FrontPage. 3.1 Web aplikace EMCO Concept Turn55 Web aplikace pro ovládání soustruhu EMCO Concept Turn55 byla vytvořena pro definici CNC soustruhu EMCO MAIER TURN 55. Na stránce je možné najít základní informace, které se týkají konstrukce a technických či technologických parametrů stroje, a to ve vizuální či audio podobě. Aplikace se ovládá přes uživatelské menu (obr.4), které, kromě textu a základních konstrukčních a technických informací stroje, obsahuje také videoanimace rozšiřující vědomosti potřebné k ovládání tohoto CNC stroje. Obr.4 Hlavní obrazovka a uživatelské menu web aplikace pro CNC soustruh EMCO Concept Turn 55 Fig.4 The main screen and menu of web application for CNC lathe EMCO Concept ONCEPT TURN Web aplikace pro ovládání řídícího software EMCO WinNC 50

51 Web aplikace pro ovládání řídícího software EMCO WinNC byla vytvořena pro programování CNC soustruhu EMCO MAIER TURN 55 s řídícím systémem Sinumerik840D. Stránka je ovládána hlavním (horizontálním) a vedlejším (vertikálním) menu. Požadované informace jsou zobrazeny na hlavní zobrazovací ploše. \Struktura web aplikace je rozdělena do pěti základních oblastí (obr. 5): 1. Základy - základní informace o důležitých bodech soustavy stroj-nástroj-obrobok. 2. Obsluha zahrnuje manipulaci se software WinNC, 3. Tvorba programu - vytvoření programu je zaměřeno na konkrétní programovaní CNC soustruhu EMCO Concept Turn, 4. Součástka - obsahuje knihovnu hotových komponentů a konkrétní příklady pro výrobu na stroji (obr.6), 5. Test - nabízí ověření získaných znalostí. Obr.5 Obrazovka a struktura menu web aplikace pro ovládání EMCO Win NC Fig.5 Screen and structure of Web application Pro optimální chod a fungování aplikace webu je nutné použít vhodný internetový prehledávač (Opera, Firefox, Internet Explorer nebo Google Chrome) instalovaný s pomocným Adobe Flash Player, který je určen pro čtení nebo úpravu flash animace. Na obr. 6 jsou zobrazeny videoanimace výroby součástky na obou web aplikacích. Studentům umožňují porovnat simuláci výrobního procesu v řídícím software EMCOWinNC s videoanimácí na reálném zařízení. Obr.6 Simulace výrobního procesu v řídícím software EMCOWinNC a videoukázka výroby součástky na reálném zařízení Fig.6 Simulation of manufacturing process in software EMCO WinNC and video of real process at CNC machine 4 Závěr 51

52 Hlavním cílem tvorby web aplikací bylo nabídnout studentům srozumitelné informace o NC programování na CNC stroji EMCO Concept Turn 55. Prezentované sofwarové aplikace v sobě spojují všechy typy médií, jaké boly kdy vyvinuty to text, obraz, zvuk a grafiku. Představují ukázku edukačních pomůcek, které umožňují studentům zvládnout danou problematiku, která je v daných aplikacích vhodně doplněná statickými i dynamickými obrázky a zvukovým komentářem, což výrazným způsobem obohacuje vnímání uživatele. Zahrnují konkrétní vzorové příklady, které názorným způsobem doplňují teoretické znalosti obsažené v příslušné problematice. Protože tvorba a modifikace internetové stránky si vyžaduje určitou dobu, v budoucnosti se plánuje doplnit řešenou problematiku o následující: s ohledem na technologické parametry výroby by bylo vhodné doplnit potřebné katalogy knihovnu nástrojů, vytvořit diskusní fórum, kde by studenti mohli vyjádřit své zkušenosti s používáním stránek, rozšířit web aplikace o programování CNC frézky, která se v současnosti pořizuje na KAVS, propojit mezi sebou jednotlivé aplikace, které jsou už vytvořeny a vytvořit možnosti pro další doplňování nových aplikací. Příspěvek je součástí řešení grantové úlohy KEGA 071ŽU-4/2011a prezentovaná problematika dílčím způsobem podporuje i řešení projektu EU operačního programu Vzdělávání, s názvem Flexibilné a atraktívne štúdium na Žilinskej univerzite pre potreby trhu práce a vedomostnej spoločnosti - kód ITMS Literatura [1] Čuboňová, N., Kumičáková, D., Kuba, J., Stroka, R., Kuric, I.: Výučba študijných odborov so strojárskym zameraním pomocou implementácie nových foriem vzdelávania. In: e-learn 2008, zborník príspevkov, EDIS ŽU Žilina, May 2008, ISBN , pp. s [2] Náprstková, N. (2011):Using of Catia V5 Software for Teaching at Faculty of Production Technology and Management. In Proceedings from 10th International Scientific Conference Engineering for Rural Development, Volume 10, p , ISSN , Jelgava, Latvia University of Agriculture, May 2011, Faculty of Engineering, [3] Stuchly,V. - Poprocký.R.: E-learning projektového riadenia a používania Microsoft project 200X, In: elearn 2006 : zborník z medzinárodného seminára februára Žilina: Žilinská univerzita pre Ústav celoživotného vzdelávania ŽU, ISBN S [4] Kuric, I., Košturiak, J., Janáč, A., Peterka, J., Marcinčin, J. (2002). CA systems in Mechanical Engineering, Žilina: EDIS-vydavateľstvo ŽU, 351 s., ISBN Abstract Article: Computer aided support for programming of control system SINUMERIK 840D Author: Čuboňová Nadežda, Assoc.prof., MSc., Ph.D. Workplace: Department of Automation and Production Systems, Faculty of Mechanical Engineering, University of Žilina, Keywords: control system, CNC machine, SINUMERIK 840D, web application This article is focused on information and communication technologies implementation at education of study program Automation Production System at the Department of Automation and Production Systems, Faculty of Mechanical Engineering, University of Žilina. Article includes options and use of computer aided education in the area of CNC programming, especially preparation of NC programs for the CNC machine EMCO Compact 55 with control system SINUMERIK 840D. For more effective teaching of profile courses mainly from the area of CNC machines were developed at our department web based applications. These applications are available for students and are located at department s website. This website catalogues and summarizes information about the work environment and control of CNC lathe. Site is also completed by examples of programs for different types of turning operations together with their simulations. Thus was created an educational unit that enables our students to simplify the process of the problem and also create a space for teachers more, modern and better quality teaching. The main aim of creation this educational software was to offer for students the most understandable information about NC programming on training CNC machine EMCO Concept TURN 55. Because the problem of NC machine programming and development of website requires a certain period of time, in the future it would be appropriate to add the website follows: 52

53 to take account of technological parameters of production would be appropriate to add the necessary catalogs - library, to add at website the discussion forum, where students could comment their experience of using website, or any errors, deficiencies and so on. Article presents results obtained in frame solution of EU Operational Programme Education: A Flexible and Attractive Study on University of Žilina for Both Employment Market and Knowledge Society Requirements ; Code ITMS and was made under support projects KEGA 071ŽU-4/

54 Povlakované součásti zemědělské techniky pracující v podmínkách abrazivního opotřebení Milan Dian, Ing., Ph.D., Univerzita J. E. Purkyně v Ústí nad Labem, Fakulta výrobních technologií a managementu. Anotace Technický stav funkčních povrchů strojních skupin a součástí je determinován ve většině případů opotřebením. Tím je také ovlivněna provozní spolehlivost součástí a následně i celého systému. Proces opotřebení vede ke zhoršování technicko-ekonomických parametrů provozu strojů a zařízení. Za účelem snížení účinků opotřebení působícího na funkčních plochách strojních součástí se v současnosti v průmyslové sféře úspěšně používají povrchové úpravy, mezi které lze zařadit tribologické vrstvy a povlaky. Tyto povrchové úpravy umožňují prodloužení technického života strojních součástí a zvyšují jejich celkové užitné vlastnosti. Příspěvek se zabývá experimentálním ověřením chování povlaků na bázi cermetů vytvořených metodou HVOF a EWS pracujících v prostředí půdy. Klíčová slova: povlakovaná součást, abrazivní opotřebení, žárový nástřik, Úvod Snaha o zvyšování jakosti a spolehlivosti strojních součástí a tedy i technické dokonalosti je spjata s vývojem nových progresivních materiálů a technologií a také nových vědních oborů. V posledních desetiletích byl, zaznamenám prudký nárůst rozvoje a aplikace tribologických poznatků do praxe a vytvoření nového vědního oboru povrchového inženýrství, který se zabývá studiem opotřebení velmi tvrdých a opotřebení odolných materiálů. Povrchové úpravy zlepšující tribologické charakteristiky strojních součástí jsou prováděny ze tří důvodů. Prvním důvodem je ochrana před vlivem okolí, které působí souborem reakcí, jenž snižují kvalitu výrobku, druhým je vylepšení vzhledu výrobků a třetím je renovace strojních součástí. Povrchové úpravy přispívající ke zlepšení tribologických charakteristik, mezi které patří zejména koeficient tření a odolnost proti opotřebení lze rozdělit podle principu na dvě základní skupiny [1,2,3]: o Tvrdé povrchové vrstvy a povlaky používané na měkkém a houževnatém základním materiálu, kdy tvrdá vrstva na měkčím podkladu vytváří zvýšenou ochranu proti vytváření rýh působením tvrdých součástí nebo částic opotřebení. Tyto vrstvy a povlaky jsou vhodné pro aplikace na součásti pracující v podmínkách abrazivního a erozivního opotřebení. Současnými rozšířenými aplikacemi jsou keramické povlaky na bázi nitridů, karbidů, oxidů a boridů, DLC povlaků, povlaků multikomponentních a multivrstevnatých. o Měkké a houževnaté povrchové vrstvy a povlaky vytvořené na tvrdém podkladu vytvářejí možnost snížení tření. Tyto vrstvy a povlaky jsou především vhodné u součástí pracujících v podmínkách adhezivního opotřebení. Současnými rozšířenými aplikacemi jsou polymerové a lamelární pevné povlaky a povlaky z měkkých kovů. Pro tvorbu ochranných povlaků a povrchových vrstev existuje v dnešní době mnoho dostupných depozičních technik, nicméně výběr optimálního procesu závisí na funkčních požadavcích, adaptabilitě materiálu povlaku vzhledem k plánovanému použití depoziční techniky, velikosti požadované přilnavosti, dispozičnosti dané techniky a nákladům. Vlastnosti povlaku determinují jeho chování v průběhu provozu tzn. že nejlepším testem je simulace reálných podmínek, ve kterých bude povlak používán. Materiál a metody Pro experiment byly vybrány secí botky používané na secích strojích Horsch Concord CO 6 s obchodním označením HORSCH DUETT. Strojní součásti byly opatřeny třemi druhy nástřiku při použití dvou technologií žárového nástřiku. Jako materiál pro nástřik byly vybrány cermety. Prvním použitým materiálem byl karbid wolframu WC-Co-Cr 86/10/4 v práškové formě pod označením K Druhým materiálem karbid chromu Cr3C2-25NiCr specifikace 1375 VM, také ve formě prášku a třetím materiálem Fe,Si,Cr,FeB pod označením 95 MXC ve formě trubičkového drátu. Pro nástřik prvních dvou materiálů byla použita technika žárového nástřiku HVOF při použití zařízení TAFA JP-5000 a pro zbývající materiál metoda nástřiku elektrickým obloukem při použití zařízení TAFA Materiály pro experiment byly vybrány na základě tří kritérií: obecné metodologie výběru povlaků vyplývající z podmínek aplikace a poměrů a podmínek v tribologickém systému, dále podle doporučení výrobců specializujících se na výrobu materiálů pro povlaky a v poslední řadě na základě výsledků laboratorního výzkumu chování povlaků v abrazivní kaši. 54

55 Aplikační technologie vychází ze specifikace výrobců materiálů určených pro aplikaci daných otěruvzdorných povlaků a zkušeností podložených výzkumy. V rámci technologického postupu byly součásti otryskány umělým korundem F22 o zrnitosti 0,8 1,0 mm při tlaku 0,55 MPa. 1. Série vzorků: přídavný materiál prášek WC Co Cr 86/10/4 o složení 5,5% C, 10%Co, 4%Cr, W Bal. vyrobený metodou aglomerizace nebo sintrování, podle specifikace FST p/a označen jako K Rozpětí velikosti µm. Vhodný pro aplikaci metodou HVOF, CoCr matrice vykazuje vysokou odolnost proti erozi a abrazi, vhodný dále pro vlhké korozivní prostředí. Po aplikaci vykazuje velkou hustotu, hladkost a jemnou mikrostrukturu a vysokou přilnavost. 2. Série vzorků: přídavný materiál prášek Cr3C2-25NiCr podle specifikace Praxair 1375 VM o rozpětí velikosti µm, vysoké hustoty a tvrdosti vyrobený metodou aglomerizace nebo sintrování, vhodný pro aplikování metodou HVOF. Velmi vhodný pro aplikace vyžadující odolnost proti korozi, abrazi a kavitaci a opotřebení za vysokých teplot. Série vzorků přídavný materiál trubičkový drát průměru 1,6 mm s výplní Fe, Si, Cr, FeB pod označením TAFA 95 MXC. Materiál je vhodný do korozivního a abrazivního prostředí. 3. Základní charakteristiky materiálů pro povlaky jsou uvedeny v tabulce 1.1, procesní parametry nástřiku jsou uvedeny v tabulce 1.2 a 1.3. Tab. 1.1 Základní charakteristiky materiálů pro povlaky [4, 5] Tab. 1.1 Fundamental material characteristics for coatings [4, 5] Označení 1375VM (prášek) K (prášek) Složení Rozpětí velikosti částic Metoda výroby Vhodnost použití Cr3C2-25NiCr µm Aglomerizace a Sinterizace Výborný pro silnou abrazi a kluzné tření WC-Co-Cr 86/10/ µm Aglomerizace a sinterizace Vysoká odolnost proti korozi a abrazi a vhodný pro vlhké korozní prostředí Fe,Si,Cr,FeB Trubičkový drát ø 1,6 mm Technika výroby trubičkových drátů Pro povlaky odolné proti korozi a abrazi 95 MXC (trubičkový drát) Tab. 1.2 Procesní parametry nástřiku metodou HVOF Tab. 1.2 Operational parameters of HVOF coating process Materiál Tlak ve spalovací komoře [kpa] Poměr Kerosín/ Kyslík Rychlost proudění kerosínu [l/h] Průtok kyslíku [l/min] Průtok Argonu [l/min] Tlak argonu [kpa] Depoziční vzdálenos t [mm] Tloušťka [mm] Cr3C2-25NiCr ,15 0,20 WC-Co-Cr 86/10/ ,15 0,20 Tab Procesní parametry nástřiku elektrickým obloukem Tab Operational parameters of EWS coating process Materiál Fe,Cr,Si,FeB Primární tlak [kpa] 420 Sekundární tlak [kpa] 420 Napětí [V] Proud [A] Depoziční vzdálenost [mm] Tloušťka [mm] 0,5 Chování a životnost součástí v tribologickém systému je ovlivněno opotřebením. Z funkčního hlediska není vždy rozhodující jen velikost opotřebení vyjádřená úbytkem hmotnosti, ale i změnami tvaru, které rozhodují o kvalitě práce a její energetické náročnosti. Délka technického života u secích botek je ovlivněna změnami geometrie 55

56 tvaru součásti, pozicí součásti na stroji, vzájemnou rychlostí součásti a půdy a dále kvalitou povrchu součásti. Jako sledované parametry byly zvoleny: špička, její dvě boční strany, čelní plocha nad špičkou a plaz. Délkové rozměry byly měřeny konvenčními měřidly: digitálním posuvným měřítkem a výškoměrem, změny rádiusů prostřednictvím rádiusových měrek a prostřednictvím profilometru Mitutoyo Formtracer SV-C 3000/4000. Další monitorovanou charakteristikou byl přímý úbytek hmotnosti měřený digitální váhou SNOREX NHC 6 s přesností na 0,2 g. Princip zkoušky spočívá v tom, že materiál s nižším hmotnostním úbytkem v průběhu zkoušky je odolnější proti opotřebení a naopak. Poté se stanoví hodnota poměrného opotřebení v procentech, která se vypočítá jako podíl průměrného hmotnostního úbytku zkoušených těles opatřených povlakem a průměrného hmotnostního úbytku porovnávacích zkušebních těles tzv. etalonů v tomto případě součástí konvenčních bez povlaku. Poslední monitorovanou charakteristikou byly změny povrchu hodnocené fotograficky, monitorované v intervalu 100 ha a v počátku experimentu v intervalech kratších. Po výběru optimálního materiálu, a stanovení monitorovacích parametrů, měřících metod a zařízení byl proveden nástřik na zařízení TAFA JP 5000 a TAFA 9000 ve Škoda výzkum s.r.o. v Plzni, na pracovišti žárových nástřiků. Jako experimentální materiál byly použity konvenční součásti vyrobené firmou HORSCH. Celkem bylo pro experiment připraveno 9 ks součástí. Experiment byl realizován v půdách podle klasifikace normy ČSN kategorie střední půdy, s mírným obsahem šterkovitosti nebo bez něho s drobtovitou strukturou, od půd hlinitopísčitých po půdy hlinité. Součásti byly na stroje namontovány tak, aby byly zajištěny přibližně stejné pracovní podmínky pro každou součást. Výsledky Obr. 1 Poměrné opotřebení secích botek abrazí podle typu nástřiku Fig. 1.Drill coulters abrasive wear ratio for different types of coatings Průměrné jednotkové náklady na obnovu a provoz secích botek s povlaky po optimalizaci plochy nástřiku a bez povlaku Průměrné jednotkové náklady u(t) [Kč ha-1] Bez povlaku Povlak K Povlak K při použití renovace Povlak 1375 VM 56 Povlak 95 MXC

57 Obr. 2 Technicko-ekonomické zhodnocení s použitím průměrných jednotkových nákladů Fig. 2 Technical-economical evaluation using average unit costs K VM 95 MXC Bez povlaku Obr. 3 Změny geometrie tvaru a povrchu Fig.3 Surface and geometry changes Závěr Experimentální stanovení hlavních charakteristik abrazivně namáhaných strojních součástí opatřených ochranným povlakem z cermetů bylo realizováno na příkladu secích botek HORSH DUETT, na které byly aplikovány tři druhy povlaků vytvořené dvěma metodami žárového nástřiku. Byly použity povlaky z materiálu 95 MXC, K a 1375 VM aplikované metodou žárového nástřiku HVOF a EWS. Byla prokázána vyšší odolnost proti opotřebení u secích botek HORSH DUETT opatřených povlakem K , který dokáže odolávat silnému a intenzivnímu abrazivnímu prostředí půdy lépe ve srovnání se součástmi bez povlaku. Vlivem vyšší odolnosti proti opotřebení lze očekávat prodloužení délky technického života povlakovaných součástí. Odolnost proti opotřebení abrazí je u povlaku K o 33,47 % vyšší než u konvenční secí botky. Technický život secích botek lze aplikací povlaku prodloužit o 500 ha. Významný vliv na délku technického života zkoušených součástí má také jejich tvar. Místa největšího opotřebení jsou lokalizována v oblasti špičky a oblasti nad špičkou, na bocích součásti a plazu. U povlaku K byly změny geometrie součásti nejmenší ze všech použitých povlaků a součástí bez povlaku. Při optimalizovaném technickém provedení nástřiku zaměřeném pouze na nejvíce opotřebovávající se místa a při použití renovace je možné dosažení významného pozitivního ekonomického efektu. Literatura [1] [2] [3] [4] [5] [6] Suchánek, J., Zdrávecká, E.: Oteruvzdorné povlaky a vrstvy in Vrstvy a povlaky Trenčín, 2003 Holmberg, K., Matthews, A.: Coatings Tribology (Properties, Techniques and Aplications in Surface Engineering). Elsevier, 1994, 407s., ISBN Pošta, J. - Havlíček, J. - Černovol, M.: Renovace strojních součástí. /Vědecká monografie/, 2. vydání, Česká tribologická společnost, Praha, 1998, 160 s., ISBN Thermal Spray Materials Guide, Flame Spray Technologies B. V., Information documents and technical specifications, Praxair company, 2005 Havlíček, J., Jurča, V., Lacina, J.: Jakost a spolehlivost strojů, VŠZ Praha, 1993, ISBN

58 Abstract Article: Coated engineering components for agricultural use working in abrasive conditions Author: Dian Milan, Ph.D. Workplace: Faculty of Production Technology and Management, JEPU in Usti nad Labem. Keywords: coated parts, abrasive wear, thermal spraying, The technical conditions of functional surfaces of engineering components are mostly determined by wear. Wear influences dependability and longevity of the component and subsequently, influences the whole system performance. The wear process leads to deterioration of technical-economic parameters of machines and machinery. In order to reduce wear effect acting on component`s surfaces, tribological surface treatment methods, such as tribological protective layers and coatings, have successfully been used in industrial area. These surface treatments enable lifespan prolongation, together with increasing the overall product utility and performance characteristics. The paper addresses the experimental verification of performance of cermet coatings, created by HVOF and EWS methods, working in soil particularly the correlation between hard drill coulter coatings and their lifespan. The verification method was carried out by means of experimental comparison of coated and serial manufactured drill coulters considered as the etalons. 58

59 Effect of the cutting tool wear on the ploughing force values. Dugin Andrey, M.Sc., Prof. Popov Alexey, DrSc. Department of Machining and Assembly Faculty of Mechanical Engineering Technical University of Liberec, Studentska 2, Liberec, Czech Republic, Abstract The ploughing forces assessment is necessary for monitoring of the cutting tool wear at cutting. It is conditioned by that the ploughing forces are substantially increased with the cutting tool wear increase, and at processing with small uncut chip thicknesses (for example, at micro milling) the ploughing forces can exceed the forces on the front surface. In this connection it is reasonable to execute the cutting tool wear monitoring directly during the cutting process in the dependence on the growth of the ploughing forces. In this article the effect of cutting tool wear on the ploughing force values at processing of different materials is investigated. To determine the ploughing forces the extrapolation method on zero cut thickness was used. The experiments were performed at processing of aluminum alloys and structural and stainless steels of different grades. Keywords: ploughing force, wear, micro cutting. Abstrakt Stanovení sil na hřbetu řezných nástroje je nutné pro monitoring opotřebení řezných nástrojů při řezání. Důvodem je, že se síla na hřbetu řezného nástroje výrazně zvyšuje s rostoucím opotřebením řezného nástroje. Je nutno poznamenat, že při řezání s malými hloubkami řezu ( např. při mikro frézováni), síla na hřbetu řezného nástroje může byt větší, než síla na čele řezného nástroje. V této souvislosti je vhodné sledovat opotřebení řezného nástroje přímo v procesu řezání v závislosti na růstu síly na hřbetu řezného nástroje. Článek je věnován výzkumu vlivu opotřebení na velikost síly na hřbetu řezného nástroje při obrábění různých materiálů. Pro stanovení sil na hřbetu řezného nástroje byla použita metoda extrapolace na nulovou hloubku. Byly zpracovány hliníková slitina, konstrukční a nerezové oceli. Klíčová slova: sila na hřbetu, opotřebeni nástroje, mikro řezáni. 1. Introduction The forces, acting on the front face of a cutting element, implement the chip forming process. The ploughing forces do not participate in this process; they are considered as parasitic ones and are arisen as a result of elastic reaction of the processed material [1-3]. However, at processing with small uncut chip thicknesses (for example, at micro milling) ploughing forces can exceed the forces on the front surface. In a production environment the cutting with small uncut chip thicknesses occurs sufficiently often, for example, at micro cutting and finishing. The ploughing forces are increased with the cutting tool wear increase. In this connection it is reasonable to execute the cutting tool wear monitoring directly in the cutting process in the dependence on the growth of the ploughing forces [46]. However, there is no concrete information in literature as for the effect of cutting tool wear on the ploughing force values at processing of different materials. Therefore, it was necessary to perform the studies described in this article. 2. Experimental Data To determine the ploughing forces the expansion scheme of active cutting force Fa (Fig. 1) was used: 59

60 Fig. 1. Expansion of active force Fa into the chip forming force FCh and of the ploughing force FPl into components in the feed and cutting directions, after [1, 7]. To determine the ploughing forces the extrapolation method on zero cut thickness was used [1, 2, 8]. Two components of active force Fa (feed force Ff and cutting one Fc) were measured by dynamometer in the dependence on the uncut chip thickness, and further the two components of ploughing force were determined using the extrapolation method on zero cut thickness. The ploughing forces measurements were made at free rectangular cutting on the universal milling machine. The cutter was mounted motionlessly on vertical milling head. The cutter of CTCPN 2514 M16 type with plate TPUN from hard alloy S30 of PRAMET TOOLS firm was used. The workpiece was fastened in the vice, which, in turn, were fastened on the KISTLER dynamometer s table of 9265В-9441В model. The measurement error of active cutting force components did not exceed ±2%. Every measurement of the forces (Fig. 2) was repeated 5 times, and on the basis of this the averade force value was determined. For processing the workpieces mm in dimensions from aluminum alloy Al99,7 (138 HB), structural steel C45 (240 HB), and stainless steel X5CrNi18-10 (300 HB) were used. The cutting rate, amounting 0.45 m/min, was provided by the longitudinal travel of the milling machine table. The water was used as a coolant. Fig. 2. Measurement results of two components of active force Fa at processing of aluminum alloy Al99,7 with uncut chip thickness t = mm and wear of the rear face h = 0.15 mm. White line feed force Ff; red line cutting force Fc. The use of minimal cutting rates and the water as coolant was conditioned by the necessity to remove the stagnation on the tool s front face and secure full contact between the tool s rear face and workpiece. The uncut chip thickness was installed manually and controlled by an indicator with a scale mm. The polished artifical wear areas of rear surface were prepared on the cutting plates. The wear size was measured with the help of Brinell Magnifier tool (magnification 24x) with scale 0.05 mm. Fig. 3 shows the determination results of the ploughing force by the extrapolation method on zero cut thickness at cutting of aluminum alloy Al99,7. So, at use the plate with wear h = 0.05 mm one has been revealed that the ploughing force component in the feed direction FPl,f = 54 N and that in the cutting direction FPl,c = 30 N, and resulting ploughing force has amounted 62 N (Fig. 3). 60

61 61

62 Fig. 3. The feed force Ff, cutting force Fc, and active force Fa vs. the uncut ship thickness t at processing of aluminum alloy Al99,7. Analogous dependences have been built also for structural steel C45 and stainless steel X5CrNi18-10 (Fig. 4). Obtained meanings for components of ploughing forces have been used for plotting final dependences, presented in Fig

63 Fig. 4. The ploughing force components in the cutting direction FPl,c, feed direction FPl,f, and the ploughing force FPl vs. the wear of tool s rear face at processing of different materials. It follows from the obtained results that the ploughing force depends on the type of processing material. So, for example, at cutting of stainless steel and wear 0.05 mm the ploughing force amounts 1010 N; at cutting of structural steel and wear 0.05 mm this force is 340 N; and at cutting of aluminum alloy it amounts 62 N. This fact explains the worse workability of stainless steels as compared with aluminum alloys and structural steels. Analysis of dependences presented above has shown that the ploughing force increase due to wear of the tool s rear face depends on the type of processed material. For example, at the wear increase from 0.05 mm up to 0.35 mm the ploughing force at processing of stainless steel is increased on 20%, and at processing of structural steels and aluminum alloys this force is increased on 170% and 530%, respectively. 63

64 3. Conclusions 1. The ploughing force depends on the processing material. At processing of stainless steel this force in 2-3 times higher than that at processing of structural steel, and in 5-10 times higher than at processing of aluminum alloys. 2. The ploughing force increase on the score of the tool s wear depends on the processing material. At increase of the wear width from 0.05 mm up to 0.35 mm the ploughing force at processing of stainless steel increases on 20%, and at processing of structural steels and aluminum alloys this force is increased on 170% and 530%, respectively. Acknowledgement This paper relates to the work on the MSM project, which is financed by MŠMT ČR. References [1] Albrecht, P., 1960, New developments in the theory of the metal cutting processes, Part 1. The ploughing process in metal cutting, ASME J. Eng. Ind., 82: [2] Zorev, N., 1966, Metal cutting mechanisms, Pergamon Press, Oxford, [3] Stevenson, R., 1998, Measurement of parasitic forces in orthogonal cutting, Int. J. Mach. Tools Manuf., 38: [4] Tansel, I., Arkan, T., Bao, W., Mahendrakar, N., Shisler, B., Smith, D., McCool, M., 2000, Tool wear estimation in micro-machining. Part I: tool usage cutting force relationship, International Journal of Machine Tools & Manufacture, 40: [5] Chae, J., Park, S., Freiheit, T., 2006, Investigation of micro-cutting operations, International Journal of Machine Tools & Manufacture, 46: [6] Jemielniak, K., Bombinski, S., Aristimuno. P., 2008, Tool condition monitoring in micromilling based on hierarchical integration of signal measures, [7] Wyen, C., Wegener, K., Zust, R., 2010, Influence of cutting edge radius oncutting forces in machining titanium, Annals of the CIRP, 59(1): [8] Přikryl, Z., Musilkova, R., 1975, Teorie obrábění,

65 Zpracování zinkového popela pyrometalurgicky postupy Hlucháňová Blanka, Ing.,Trpčevská Jarmila, doc. Ing. CSc., Pirošková Jana, Ing., Laubertová Martina, Ing. PhD. Technická univerzita v Košiciach, Hutnícka fakulta, Katedra neželezných kovov a spracovania odpadov, Letná 9/A, Košice V současnosti kvůli nárůstu poptávky zinku, stejně jako z ekonomického a ekologického hlediska se řeší otázky související s jeho výrobou. Množství vyrobeného zinku z primárních surovin nepokrývá množství poptávky po dané komoditě. Proto se z daných důvodů využívají i takové technologie, které by efektivně nahradily výrobu zinku z primárních surovin. Jde zejména o technologie na výrobu zinku z druhotných surovin s obsahem zinku. Největším spotřebitelem zinku jsou zinkovny a právě ty představují velký zdroj sekundárního zinku. Mezi tyto cenné druhotné suroviny s obsahem zinku vznikající v procesu zinkování patří i zinkový popel. Jde o odpad, který vzniká na povrchu zinkového lázně, v důsledku oxidace zinkové taveniny s okolní atmosférou. V současnosti se zinkový popel nejčastěji zpracovává pyrometalurgickými postupy. Cílem provozních pyrometalurgických postupů zpracování odpadů s obsahem zinku je získání kovového zinku případně jeho sloučenin (nejčastěji ZnO). Klíčová slova: žárové zinkování ponorem, zinkový popel, pyrometalurgie Úvod Na ochranu materiálů proti korozi, ale i na zvýšení odolnosti vůči opotřebení, na zlepšení estetických vlastností atd., se využívají různé povrchové úpravy. Nejčastěji využívaným kovem na povrchové úpravy je zinek. V současnosti na povrchovou úpravu ocelí se spotřebuje přibližně 50% vyprodukovaného zinku. Nejběžnější využívanou technologií nanášení zinku na základní ocelové dílce je žárové zinkování ponorem. Jde o metalurgický proces, který se nejčastěji realizuje v ocelových vanách při teplotě C, při kterém se antikorozní povlak vytváří vzájemnou reakcí základního materiálu a zinkovou taveninou. Podle způsobu používané technologie se žárové zinkování dělí na kontinuální a kusové. Kontinuální proces žárového zinkování, který se realizuje na částečně automatizovaných nebo automatizovaných linkách se používá k zinkování plechů, pásů, drátů. Na zinkování ocelových dílců a konstrukcí se používá proces kusového žárového zinkování. Podle druhu a způsobu nanášení tavidla se kusové žárové zinkování dělí na suché a mokré [1, 2]. V procesu kusového žárového zinkování kromě výsledných pozinkovaných ocelových dílců vzniká na dně a povrchu zinkového koupele i řada tuhých odpadů. Jde o odpady, které v důsledku vysokého obsahu zinku představují cennou druhotnou surovinu. Jelikož světové zásoby zinku jsou odhadované přibližně na 50 let, význam recyklačních technologií zaměřených na získávání zinku z odpadů vytvořených v procesu zinkování získává mimořádný význam. Uplatňováním recyklačních technologií se především šetří primární zdroje zinku. Ve srovnání s prvovýrobou zinku se recyklační technologie vyznačují lepšími ekonomickými ukazateli a menším dopadem na životní prostředí [3]. 1. Charakteristika zinkového popela V procesu kusového žárového zinkování na povrchu zinkové lázně vzniká odpad zvaný zinkový popel. Jde o odpad, který vzniká v důsledku oxidace zinkové taveniny s okolní atmosférou. Přítomnost popela na hladině zinkové taveniny je nežádoucí, protože negativně ovlivňuje kvalitu vytvářeného povlaku. Z tohoto důvodu se zinkový popel před každým ponořením, ale i po vynoření ocelového dílce pravidelně odstraňuje z povrchu zinkové taveniny. Proces odstraňování, hromadění a uskladnění zinkového popela je zobrazen na Obr. 1. Typická zinkovna ročně vyprodukuje přibližně 80 t zinkového popela. Prodejní cena zinkového popela představuje přibližně 40% ceny zinku určené burzou LME (London Metall Exchange). Při ceně zinku 1,40 / kg (listopad 2011) je prodejní cena zinkového popela přibližně 0,50-0,60 /kg. Obr. 1 Stahování, hromadění a skladování zinkového popela Fig. 1 Skimmed, collected and stored of zinc ash 65

66 Množství a složení vytvořeného zinkového popela je v důsledku různé ovlivňujících faktorů (chemické složení ocelového dílce, zinkové taveniny, tavidla, teploty zinkové taveniny, rozměry zinkovací vany, atd.) různorodé. Z hlediska chemického složení zinkový popel obsahuje zinek (60-85%), chloridy (1-20%), olovo (0,02-2,45%) a jiné prvky jako Cu, Cd, Ni, Mg, Si, Bi atd. pod 1%. Nejvíce zastoupeným prvkem v zinkovém popelu je zinek, který se nachází v různých formách. Vyskytuje se ve formě čistého (kovového) zinku, ve formě oxidů (ZnO) a komplexních chloridů. Chloridy v zinkovém popelu jsou přítomny ve fázích jako chlorid zinečnatý (ZnCl2), chlorid olovnatý (PbCl2) a především ve formě simonkolleitu ZN5(OH)8Cl2.nH2O, atd.. Z hlediska granulometrického zinkový popel lze rozdělit na dvě základní frakce a to: hrubozrnnou frakci (je charakterizována vyšším podílem kovového zinku a nižším podílem chloridových sloučenin) a jemnozrnnou frakci (vyznačuje se nižším podílem kovového zinku a vyšším podílem chloridových sloučenin) [3-5]. 2. Pyrometalurgické možnosti zpracování zinkového popela Kvůli vysokému obsahu zinku zinkový popel představuje cennou druhotnou surovinu. Za účelem získání zinku případně sloučenin zinku ze zinkového popela se využívají různé zpracovatelské postupy. Jde o zpracovatelské postupy, které se uplatnily v praxi nebo se vyvíjejí v laboratorních podmínkách. V praxi se v současnosti uplatňují pyrometalurgické postupy zpracování. Pyrometalurgické procesy zpracování lze rozdělit z hlediska aplikované teploty na 2 základní skupiny: 1. Procesy, které zpracovávají zinkový popel při teplotách C. Jde o procesy, při kterých se zinkový popel zpracovává v pecních agregátech. Výsledným produktem těchto pyrometalurgicky procesů je kovový zinek o čistotě přibližně 98-99%. Z hlediska používané zrnitosti vstupního materiálu lze tyto procesy rozdělit na ty, které: a) provádějí třídění popela a následně pyrometalurgicky zpracovávají pouze hrubozrnnou frakci. Jde o proces vyvinutý belgickou firmou REZINAL. Společnost dokáže ročně zpracovat tun zinkového popela a tun starého zinkového šrotu. Technologický postup zpracování zinkového popela firmou REZINAL probíhá následovně: 1. Zinkový popel po příjmu do podniku se analyzuje a odebírá. 2. Vstupní materiál se mele v kulovém mlýně, kde se následně separuje hrubozrnná (kovová) frakce od nekovové jemnozrnné. Jemnozrnná frakce, která obsahuje převážně oxidy kovů je skladována v zásobnících a dále se prodává. 3. Kovová frakce se taví v indukční peci. 4. Tekutý zinek se přelévá z indukční pece do udržovací pece, viz Obr Tekutý zinek se odlévá do forem, kde po ztuhnutí vznikají 25 kilogramové zinkové ingoty. Zinek získaný uvedeným procesem dosahuje minimální čistotu 98,5% a může se dále využívat při žárovém zinkování, v průmyslu mosazi, při výrobě oxidu zinečnatého nebo k destilaci zinku [6]. Obr. 2 Přelévání tekutého zinku z indukční pece do udržovací pece [6] Fig. 2 Spilled of liquid zinc from induction furnace to holding furnace [6] b) zpracovávají netříděný zinkový popel, tzv. MZR (Metaullics Zincoff Recovery) systém. Uvedený systém byl založený společností Metaullics System Division, která je součástí společnosti Pyrotec Incorporated Group of Companies sídlící v USA. MZR systém využívá jednoduché termomechanické zařízení pro separaci volného zinku, který se vyskytuje ve formě drobných částic z popelů a stěrů vznikajících v průběhu zinkování. Jde o zařízení, které může být instalováno v každé zinkovně, přímo na místě "in situ". Zařízení se skládá ze dvou hlavních částí a to: 66

67 Zpracovacího, rotačního bubnu, který se nejprve využívá jako sběrný buben na shromáždění zinku a je zkonstruován tak, aby umožnil tavení a shromáždění volného zinku z popela na dně bubnu během zpracování v ohřívací nádobě. Ohřívací komory, která je zkonstruována tak, aby umožnila činnost zpracovávacího bubnu v takové poloze a úhlu, které jsou vhodné pro dosažení maximálního výtěžku kovu. Nádoba má izolovanou ohřívací komoru a lze ji ohřívat plynovým nebo olejovým hořákem. Také je vybavena výkonným hnacím hřídelem propojeným s vnější převodovkou a hnací jednotkou, která během ohřevu obráběcí buben otáčí. Podle kapacity zpracovaného vstupního materiálu MZR systém se dělí na: MZR-750 a MZR Základní části MZR-1500 procesu jsou zobrazeny na následujícím Obr. 3 [7, 8]. Obr. 3 MZR 1500 [8] Fig. 3 MZR 1500 systems [8] Technologický postup MZR systému se skládá z následujících kroků: 1. Zinkové popely/stěry nebo vrchní stěry se shromažďují do bubnů. Kapacita bubnů je závislá na druhu používaného zařízení. Maximální kapacita MZR-750 zařízení je 750 kg a MZR-1500 je 1500 kg vstupního materiálu. 2. Potřebným množstvím naplněný buben se náležitým způsobem utěsní a následně se umístí na stranu zinkovací vany a nahradí tak tradiční sběrné bubny. 3. Na buben se umístí víko, které se zajistí. 4. Plný buben se následně umístí do ohřívací komory a spojí s hnací jednotkou, hlavní dvířka uzavřou, zapálí se hořák a proces zpracování začíná. 5. Je třeba, aby teplota v ohřívací nádobě dosáhla požadovanou teplotu (540 C). Dále zařízení pracuje pomocí automatického ovládání po dobu závislou na množství zinku, které má podle odhadu získat. Obvyklá doba zpracování je cca 1 min na každé 4 kg získaného zinku. 6. Po uplynutí potřebné doby (přibližně 2 hod.) na zpracování, otáčení bubnu se zastaví a výpusti se přes boční dvířka odstraní bezpečnostní kryt. Buben se tak otočí o 90, po zastavení se z výpusti odstraní zátka a kapalný zinek vyteče do žlabu a následně do licí formy. 7. Po vyprázdnění bubnu se výpusť znovu utěsní a buben se nechá před vytažením z ohřívací nádoby cca 2 hodiny chladnout. Pak je možné do zařízení umístit nový naplněný buben a proces opakovat. Celková doba procesu je 2,5 hodiny. Jeden cyklus provedený MZR-750 systémem může zpracovat 750 kg zinkového popela a tak získat kg metalického zinku o jeho čistotě 99%. Průměrná výtěžnost metalického zinku daným systémem je 65%. Vytvořené zinkové ingoty lze použít jako materiál pro tvorbu zinkové taveniny v procesu žárového zinkování [7, 8]. 2. Proces, který zpracovává zinkový popel při teplotách vyšších než 600 C. Jde o pyrometalurgicky Wealzov proces (Waelz kiln process v angl.), který komplexně zpracovává různé druhy odpadů s obsahem zinku. Odpady z galvanizace a jiné druhotné suroviny s obsahem Zn se mísí s jemným koksem a následně se peletizují. Běžná teplota uvnitř Waelzovej pece je přibližně 1200 C. V peci se materiál suší a pak ohřívá proudem horkého plynu a následně dochází k jeho styku s vyzdívkou pece. V silné redukční atmosféře jsou vyredukované těžké kovy jako Zn, Pb a jiné. Směs plynných oxidů z pece odsávají spolu s ostatními plyny a oddělují se v systému zpracování plynů. Schéma zpracování odpadů s obsahem zinku je zobrazena na následujícím Obr. 4. Výsledný produkt je sloučenina zinku (ZnO), která se dá dále zpracovat za 67

68 účelem získání kovového zinku případně, jako sloučeniny nacházejí uplatnění v některých odvětvích průmyslu [9]. Obr. 4 Technologická schéma Wealz procesu [10] Fig. 4 Flow sheet of Wealz process [10] Závěr Odpad tvořící se na hladině zinkového koupele v procesu kusového žárového zinkování se nazývá zinkový popel. Jde o odpad, který vzniká v důsledku oxidace zinkové taveniny s okolní atmosférou. Z hlediska vysokého obsahu zinku (60-85%) představuje velmi cennou druhotnou surovinu. Za účelem získání zinku (kovového, případně jeho sloučenin) ze zinkového popela se používají různé postupy zpracování. V současnosti se v praxi ve velké míře aplikují pyrometalurgické postupy jeho zpracování. Uvedené postupy lze rozdělit na ty, které zpracovávají zinkový popel v pecních agregátech při teplotách 500 až 600 C (MZR systém, systém vyvinutý firmou REZINAL) a na postupy, které zpracovávají tento druh odpadu společně s ostatními odpady s obsahem zinku (Wealzov proces). Výsledným produktem postupů zpracování MZR systémem a systémem vyvinutým firmou REZINAL je zinková slitina. Tuto slitinu lze využít znovu v procesu zinkování. Výsledným produktem komplexního zpracování odpadů Waelz postupem je sloučenina zinku (ZnO), která může být použita v různých průmyslových odvětvích, např. pigmentovém, petrochemickém, farmaceutickém, atd.. Pyrometalurgické provozní postupy zpracování zinkového popela se vyznačují následujícími výhodami: možnost používání procesů přímo na místě vzniku odpadů, jednoduchá obsluha, časová nenáročnost a nízké provozní náklady. Literatura [1] HAVŘÁNKOVÁ, Z. Žárové zinkovaní ponorem-záklané informace pre uživatele. Konstrukce, 3, Dostupné na: informacepro.uživatele. [2] TANG, N.Y. Determination of Liquid Phase Boundaries in Zn-Fe-Mx Systems. Journal of Phase Equilibria, 21, (1), 2000, p [3] BRIGH, M. A., DEEM N. J., Fryatt, J. The advantages of recycling metallic zinc from the processing wastes ofindustrial molten zinc applications. The Minerals, Metals and Materials Society, 136th Annual Meeting and Exhibiton, 2007, p [4] VOURLIAS, G., et. all. Study of the structure of hot-dip galvanizing byproducts. Journal of optoelectronics and advanced materials, 9, 2007, p [5] JHA, M. K., KUMAR, V., SINGH, R. J. Review of hydrometallurgical recovery of zinc from idustrial wastes. Resources, Conservation and Recycling, 33, 2001, p [6] REZINAL: Recycling Galvanizing Ashes: Dostupní na: [7] FRYATT, J. Technologie použitého odpadu - recyklace kovového zinku v rámci podniku z popela vznikajícího pri procesu zinkovaní. 12. Konference žárového zinkování, , Jeseník, p [8] THE METAULLICS ZINKOFF RECOVERY SYSTEM. Broschure of Metaullics System. Dostupní na: [9] FUNAHASHI T., KAIKAKE A., SUGIURA T. Recent development of Waelz kiln process for EAF dust teatment at Sumitomo Shisaka Works. EPD Congress 1998; San Antonio, TX; USA; Feb pp

69 [10] The Wealz Furnance Procedure. Dostupní steel.com/corp/web/en/servicios/tecnologia/horno_rotatorio/index.html na: Abstract Article: The treatment of zinc ash by pyrometallurgical process Author: Trpčevská Jarmila, doc. Ing. CSc., Hlucháňová Blanka, Ing., Pirošková Jana, Ing., Laubertová Martina, Ing. PhD. Workplace: Technical University in Košice, Faculty of Metallurgy, Department of Non-ferrous Materials and Waste treatment, Letná 9/A, Košice Keywords: Hot-dip galvanizing proces, zinc ash, pyrometallurgy At the present time, issues are dealt with the zinc production due to the both increasing demand of zinc and the economic and ecological point of view. The quantity of zinc from primary raw materials is not covered by the number of requests for the commodity. From these reasons so technologies may be used that more effectively replace the production of zinc from primary raw materials. There are technologies especially focused to the zinc production from secondary raw materials containing zinc. Galvanizers as the main consumer of zinc represent a major source of secondary zinc. Zinc ash is also valuable secondary raw material containing zinc in the hot-dip galvanizing process. It is waste generated at the surface of the zinc bath, due to the oxidation of the melt zinc with the surrounding atmosphere. Consumption of zinc for zinc ash generation represents for 12 to 15% of total quantity of zinc used. It consists of coarse fraction consisting predominantly zinc metal and fine fraction, which constitutes a higher share of oxides. It may contain 70-96% zinc. It has variable composition, composed of metallic zinc, zinc oxide, intermetallic compounds and other metals in the minority representation. According to quantitative X-ray diffraction analysis of the ash contains mainly metallic zinc, simonkolleit (Zn5(OH)8Cl2.H2O), zinkit (ZnO). Generally, zinc ash is recycled by pyrometallurgical processes. The aim of pyrometallurgical way of treatment of zinc containing waste is to obtain metal zinc or its compounds (mostly ZnO). These processes can be divided into those that deal with zinc ashes in the furnace aggregates at temperatures from 500 to 600 C (Metaullics Zincoff Recovery System MZR and process developed by REZINAL) and the procedures that deal with this kind of waste with other waste containing zinc (Wealz process). Zinc alloy is the final product of MZR systems and systems developed by Rezinal. This alloy can be used again in the galvanizing process. Compound of zinc (ZnO) is the final product of Waelz process, which can be used in various industries such as: pigment, petrochemical, pharmaceutical, etc. Pyrometallurgical processing treatment of zinc ash is characterized by the following advantages: possibility of using these process in situ, easy operations, less time consuming and low operation costs. 69

70 Vliv dynamického vyvážení brousicího kotouče na drsnost povrchu obrobených součástí Jersák Jan, doc. Ing. CSc., katedra obrábění a montáže, TU v Liberci Pokud se těžiště soustavy brousicí kotouč, příruba a vřeteno brusky nenachází přesně v geometrickém středu nástroje, vznikají při broušení vibrace, které nepříznivě ovlivňují jak proces obrábění a broušenou součást, tak i obráběcí stroj. V laboratoři katedry obrábění a montáže na TU v Liberci byly na rovinné brusce BPH 320A provedeny zkoušky, při kterých byl zkoumán vliv tzv. amplitudy výkmitu na parametry drsnosti povrchu broušené součásti. Konkrétní hodnoty nevyváženosti byly přesně registrovány přístrojem SBS Manual Balancer Control, SB V příspěvku jsou prezentovány výsledky experimentálních měření, které dokumentují míru vlivu dynamického vyvažování brousicích nástrojů na průměrnou aritmetickou úchylku posuzovaného profilu u obrobených povrchů. Klíčová slova: obrábění, broušení, dynamické vyvažování, drsnost povrchu obrobku 1 Vyvažování brousicích kotoučů Proces broušení je základní dokončovací metodou obrábění. Nejčastěji se pro broušení používají brousicí kotouče. V tomto případě je proces obrábění charakteristický tím, že se tyto kotouče otáčejí vysokými otáčkami a řezné rychlosti jsou veliké. Pro zajištění kvalitního broušení je nutné, aby byl brousicí kotouč vyvážen. Vyvažování spočívá v uspořádání hmoty tak, aby se těžiště rotujícího nástroje, příruby a vřetena shodovalo s geometrickým středem této soustavy nebo alespoň s osou otáčení. Nevyvážené hmoty se eliminují a nástroj potom pracuje klidně i při vysokých obvodových rychlostech. U nevyváženého kotouče vzniká při vysokých rychlostech setrvačná síla, která při rotaci působí na vřeteno stroje střídavým zatížením. To se projevuje vznikem chvění a nežádoucím zhoršením jakosti obrobeného povrchu a přesnosti rozměrů. Současně vzniklé vibrace ve zvýšené míře zatěžují uložení brousicího vřetena stroje. Brousicí kotouče se vyvažují staticky nebo dynamicky. Pokud potřebujeme vyvážit brousicí kotouč malé šířky, kde jsou rotující hmoty téměř v jedné rovině, postačí jeho statické vyvážení. Statické vyvažování je méně dokonalé než dynamické, v podstatě zajišťuje rozdělení hmoty soustavy tak, že se těžiště shoduje s osou otáčení soustavy. Dynamické vyvažování zajišťuje kvalitativně vyšší úroveň vyvážení brousicího kotouče. Tento způsob vyvažování se používá, je-li potřeba zajistit vysoké nároky na přesnost a jakost povrchu při broušení, dále pro kotouče větších hmotností, průměrů a šířek. U kotoučů, jejichž šířka překračuje 1/10 průměru kotouče je statické vyvážení nedostačující, protože nevyvážené hmoty jsou zpravidla rozloženy v různých rovinách. Stejně tak je dynamické vyvažování doporučováno při řezných rychlostech nad 45 m.s-1. K dynamickému vyvažování je možno použít řadu zařízení, která fungují na různých principech. Moderní zařízení umožňují provádět dynamické vyvažování kotouče při provozních otáčkách. Zařízení je integrováno do příruby jež slouží k upnutí brousicího kotouče a pracuje buď na hydraulickém nebo na mechanickém principu. Základními částmi mechanického dynamického vyvažovacího systému jsou: řídicí jednotka, pouzdro s vyvažovacími kameny, snímač vibrací a otáček a pro upevnění pouzdra na vřeteno brusky slouží redukční kroužky (viz obr. 1.). Obr. 1 Dynamický vyvažovací systém SBS Manual Balance Control, SB 4500 Fig. 1 Dynamic balancing system SBS Manual Balance Control, SB 4500 Vyvažování probíhá tak, že řídicí jednotka minimalizuje velikost chvění, které vyhodnocuje snímač vibrací a otáček zabudovaný v tělese stroje. Vlastní vyvážení zajišťuje pouzdro s vyvažovacími kameny, princip jeho 70

71 práce je patrný z obr. 2. Pro vyvažování brousicích kotoučů používá systém SBS metody přemísťování dvou kamenů - posuvných závaží, jejichž přesně definovaným umístěním je dosaženo velice přesného vyvážení brousicího kotouče. Obr. 2 Mechanický princip dynamického vyvažování Fig. 2 Mechanical principle of dynamic balancing Výhoda tohoto způsobu dynamického vyvažování tkví především v tom, že brousicí kotouč zůstává stále upnutý na brusce, vyvažování je možno provádět rychle, přesně a po každém orovnání nástroje. Dynamický vyvažovací systém SBS Manual Balance Control, SB 4500 (systém SBS) byl použit při experimentech na rovinné brusce BPH 320A v laboratoři katedry obrábění a montáže na TU v Liberci. 2 Podmínky experimentů Pro zkoušky byly připraveny zkušební vzorky 14,5 x 40 x 60 mm z materiálů: (EURO - C45; střední hodnota HV 197), (EURO - 100Cr6; střední hodnota HV 590) a (EURO - 55WCrV8; střední hodnota HV 675). Před obráběním byl vždy brousicí kotouč orovnán jednokamenovým diamantovým orovnávačem za konstantních podmínek. Rovinné plochy vzorků byly broušeny obvodem kotouče zápichovým způsobem nástrojem: Typ x 25 x 76 - A98 46 K9V 01 C40-35 m.s-1, při obvodové rychlosti vc = 34,5 m.s-1, rychlosti podélného pohybu stolu vft = 10 m.min-1 a při dvou pracovních radiálních záběrech: 0,03 a 0,01 mm. První skupina vzorků byla broušena bez použití procesní kapaliny, druhá skupina s procesní kapalinou CIMSTAR 506 (koncentrace 5 %). Broušení zkušebních vzorků bylo realizováno při 4 různých stavech brousicího kotouče: a) vyvážený brousicí kotouč, b) definovaná nevyváženost 1 µm, c) definovaná nevyváženost 2 µm, d) definovaná nevyváženost 4 µm. Hodnota definované nevyváženosti vyjadřuje velikost amplitudy pohybu vřetene v radiálním směru při daném stavu brousicího kotouče. Tato hodnota byla dosažena s použitím systému SBS. Do stavu nevyváženého byl brousicí kotouč uveden přesunutím kamenů do polohy, která požadované hodnoty nevyváženosti vyvolala. Na tomto místě je také nutno poznamenat, že absolutně dokonale brousicí kotouč vyvážit nelze. V rámci prováděných experimentů bylo proto třeba stanovit, za jakých podmínek bude obrábění označováno jako broušení s vyváženým brousicím kotoučem. Na základě praktických poznatků byla pro tento případ stanovena největší přípustná nevyváženost soustavy 0,42 µm. Pro měření drsnosti povrchu byl použit laboratorní profiloměr Mitutoyo Surftest SV-2000N2. U broušených vzorků byla hodnocena průměrná aritmetická úchylka posuzovaného profilu Ra. 3 Výsledky experimentů Experimenty pro vyhodnocení vlivu dynamického vyvážení brousicího kotouče na drsnost povrchu obrobených součástí byly provedeny na brusce BPH 320A v laboratoři obrábění na TU v Liberci. Aby bylo dosaženo co nejpřesnějších výsledků, byly všechny experimenty za daných řezných podmínek vždy 5x zopakovány a hodnoty stanovené měřením byly následně statisticky vyhodnoceny. Pro eliminaci možných chyb při měření drsnosti povrchu byl také tento parametr na každém hodnoceném povrchu zkušebního vzorku kontrolován na pěti místech. Střední hodnoty parametru drsnosti povrchu, které byly zjištěny pro jednotlivé případy broušení, jsou uvedeny v následujících tabulkách a grafech. Jak je zřejmé z tab. 1 a z obr. 3, pohybovaly se při broušení konstrukční oceli dynamicky 71

72 vyváženým brousicím kotoučem naměřené hodnoty Ra v rozmezí 0,118-0,185 µm a při broušení s kotoučem s definovanou nevyvážeností se hodnoty pohybovaly v rozmezí 0,147-0,282 µm. Dle očekávání byla nejvyšší hodnota drsnosti povrchu zjištěna po broušení kotoučem, u kterého byla při obrábění amplituda pohybu vřetene v radiálním směru 4 µm. Tab. 1 Hodnoty drsnosti povrchu v závislosti na stavu vyváženosti nástroje při broušení materiálu Tab. 1 Dependency of the values of surface roughness on the wheel balancing state in grindig material C45 Materiál Stav vyváženosti Radiální brousicího kotouče [µm] záběr 0,03 mm bez procesní kapaliny Drsnost povrchu Ra [µm] Radiální záběr 0,03 mm s procesní kapalinou Radiální záběr 0,01 mm bez procesní kapaliny Radiální záběr 0,01 mm s procesní kapalinou 0,42 0,185 0,124 0,144 0,118 1,00 0,237 0,206 0,176 0,159 2,00 0,272 0,205 0,157 0,147 4,00 0,282 0,210 0,237 0,165 0,40 Drsnost povrchu Ra [µm] 0,30 0,282 0,272 0,237 0,206 0,20 0,185 0,176 0,159 0,144 0,237 0,210 0,205 0,165 0,157 0,147 0,124 0,118 0,10 Radiální záběr 0,03 mm bez procesní kapaliny Radiální záběr 0,03 mm s procesní kapalinou 0,00 0,0 1,0 2,0 3,0 Stav vyváženosti brousicího kotouče [µm] 4,0 Radiální záběr 0,01 mm bez procesní kapaliny 5,0 Radiální záběr 0,01 mm s procesní kapalinou Obr. 3 Závislost parametru drsnosti povrchu Ra na stavu vyváženosti brousicího kotouče - materiál Fig. 3 Dependency of the surface roughness parametr Ra on the wheel balancing state - material C45 Při dalších experimentech byly za analogických řezných podmínek broušeny zkušební vzorky z oceli Výsledky zkoušek jsou shrnuty v tab. 2 a na obr. 4. Z tabulky vyplývá, že při broušení této legované 72

73 oceli dynamicky vyváženým brousicím kotoučem, pohybovaly se naměřené hodnoty Ra v rozmezí 0,096-0,183 µm a při broušení s kotoučem s definovanou nevyvážeností se hodnoty pohybovaly v rozmezí 0,107-0,372 µm. Také při těchto zkouškách byla nejvyšší drsnost povrchu zjištěna při broušení kotoučem, u kterého při obrábění činila amplituda pohybu vřetene v radiálním směru 4 µm. Tab. 2 Hodnoty drsnosti povrchu v závislosti na stavu vyváženosti nástroje při broušení materiálu Tab. 2 Dependency of the surface roughness on the wheel balancing state in grindig material 100Cr6 Materiál Stav vyváženosti Radiální brousicího kotouče [µm] záběr 0,03 mm bez procesní kapaliny Drsnost povrchu Ra [µm] Radiální záběr 0,03 mm s procesní kapalinou Radiální záběr 0,01 mm bez procesní kapaliny Radiální záběr 0,01 mm s procesní kapalinou 0,42 0,183 0,124 0,116 0,096 1,00 0,199 0,158 0,197 0,107 2,00 0,221 0,160 0,209 0,145 4,00 0,372 0,195 0,226 0,150 0,40 0,372 Drsnost povrchu Ra [µm] 0,30 0,20 0,199 0,197 0,226 0,221 0,209 0,195 0,183 0,158 0,124 0,116 0,10 0,160 0,145 0,150 0,107 0,096 Radiální záběr 0,03 mm bez procesní kapaliny Radiální záběr 0,03 mm s procesní kapalinou 0,00 0,0 1,0 2,0 3,0 Stav vyváženosti brousicího kotouče [µm] 4,0 Radiální záběr 0,01 mm bez5,0procesní kapaliny Radiální záběr 0,01 mm s procesní kapalinou Obr. 4 Závislost parametru drsnosti povrchu Ra na stavu vyváženosti brousicího kotouče - materiál Fig. 4 Dependency of the surface roughness parametr Ra on the wheel balancing state - material 100Cr6 V tab. 3 a na obr. 5 jsou shrnuty výsledky experimentů, při kterých byly obráběny zkušební vzorky z nástrojové oceli Broušení bylo i při těchto zkouškách provedeno za stejných řezných podmínek jako u 73

74 předešlých materiálů. Tab. 3 Hodnoty drsnosti povrchu v závislosti na stavu vyváženosti nástroje při broušení materiálu Tab. 3 Dependency of the surface roughness on the wheel balancing state in grindig material 55WCrV8 Stav vyváženosti Radiální brousicího kotouče [µm] záběr 0,03 mm bez procesní kapaliny Materiál Drsnost povrchu Ra [µm] Radiální záběr 0,03 mm s procesní kapalinou Radiální záběr 0,01 mm bez procesní kapaliny Radiální záběr 0,01 mm s procesní kapalinou 0,42 0,133 0,121 0,109 0,093 1,00 0,149 0,143 0,167 0,093 2,00 0,249 0,150 0,157 0,125 4,00 0,388 0,157 0,185 0,133 0,40 0,388 Drsnost povrchu Ra [µm] 0,30 0,249 0,20 0,185 0,167 0,149 0,143 0,133 0,121 0,109 0,093 0,093 0,10 0,157 0,150 0,157 0,133 0,125 Radiální záběr 0,03 mm bez procesní kapaliny Radiální záběr 0,03 mm s procesní kapalinou 0,00 0,0 1,0 2,0 3,0 Stav vyváženosti brousicího kotouče [µm] 4,0 Radiální záběr 0,01 mm bez procesní kapaliny 5,0 Radiální záběr 0,01 mm s procesní kapalinou Obr.5Závislost parametru drsnosti povrchu Ra na stavu vyváženosti brousicího kotouče - materiál Fig.5 Dependency of the surface roughness parametr Ra on the wheel balancing state - material 55WCrV8 Při broušení nástrojové oceli dynamicky vyváženým brousicím kotoučem se naměřené hodnoty Ra pohybovaly v rozmezí 0,093-0,133 µm a při broušení s kotoučem s definovanou nevyvážeností se hodnoty pohybovaly v rozmezí 0,093-0,388 µm. Stejně jako ve všech předchozích případech byla také při obrábění nástrojové oceli zjištěna nejhorší drsnost povrchu při broušení s nejméně vyváženým brousicím kotoučem. 74

75 4 Závěry z experimentů Je obecně známo, že drsnost povrchu u broušených součástí je ovlivněna jakostí brousicího nástroje, řeznými podmínkami a vlastnostmi broušeného materiálu. V rozsahu hodnocených řezných podmínek byly podle očekávání u všech broušených materiálů nejlepší výsledky dosaženy po broušení s radiálním záběrem 0,01 mm a při použití procesní kapaliny. Naopak nejhorší drsnost povrchu obrobeného povrchu byla ve všech případech zjištěna po broušení bez procesní kapaliny, s pracovním radiálním záběrem 0,03 mm a s dynamicky nevyváženým kotoučem. Zajímavé srovnání proto poskytuje obr. 6, který shrnuje všechny závislosti průměrné aritmetické úchylky posuzovaného profilu Ra na stavu vyváženosti brousicího kotouče při dokončovacím broušení (pracovní radiální záběr 0,01 mm) s procesní kapalinou CIMSTAR ,20 0,165 0,159 Drsnost povrchu Ra [µm] 0,15 0,150 0,147 0,145 0,133 0,125 0,118 0,107 0,10 0,096 0,093 0,093 0,05 Materiál Materiál ,00 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 Materiál Stav vyváženosti brousicího kotouče [µm] Obr. 6 Závislost Ra na stavu vyváženosti BK při dokončovacím broušení různých materiálů s procesní kapalinou Fig. 6 Dependency of Ra on the balancing state Grinding wheel at finishing grinding of various materials with processing fluid Při experimentech bylo prokázáno, že stav vyváženosti brousicího kotouče má významný a jednoznačný vliv na drsnost povrchu broušených součástí. Dynamickým vyvážením brousicího kotouče se parametr drsnosti povrchu zlepšil v průměru cca o 65 %. Dalším zajímavým závěrem je dle obr. 6 i to, že při broušení tvrdších materiálů byly dosaženy nižší hodnoty drsnosti povrchu. Důležitá je též skutečnost, že dynamickým vyvažováním nezlepšujeme pouze kvalitu povrchu broušených součástí, ale navíc šetříme též obráběcí stroj. Článek souvisí s řešením projektu MSM , který je podporován MŠMT ČR. Literatura [1] MASLOV, J. N. Teorie broušení kovů. Doplnil F. Neckář., 1. vyd. Praha: SNTL, s. ISBN -. [2] ŘASA, J., GABRIEL, V. Strojírenská technologie 3-1. díl - Metody, stroje a nástroje pro obrábění. 1. vyd. Praha: Scientia, spol. s r.o., s. ISBN

76 [3] DEGNER, W., LUTZE, H., SMEJKAL, E. Spanende Formung, Theorie, Berechnung, Richtwerte. 15. Auflage. München-Wien: Carl Hanser Verlag, s. ISBN [4] NEVRLÝ, V. Hodnocení vlivu dynamického vyvažovacího systému SBS na technologické parametry obráběných součástí na brusce BPH 320A. Liberec. [Diplomová práce]. Liberec, TU v Liberci, s. [5] LUKOVICS, I., BÍLEK, O. High-Speed Grinding Process Results. Manufacturing Technology. Rec. F. Holešovský, aj. roč. 9, December 2009, č. -. s ISSN [6] POHOŘALÝ, M., JERSÁK, J. Výzkum vybraných parametrů jakosti broušeného povrchu v závislosti na povaze použitého chladicího média. Strojírenská technologie. Rec. F. Holešovský. Prosinec 2003, 8, č. 4. s ISSN [7] BARTUŠEK, T., JERSÁK, J. Metoda MQL a její vliv na technologické parametry procesu broušení. Strojírenská technologie. Rec. prof. Mádl. 14. roč., březen 2009, č. 1. s ISSN [8] JERSÁK, J., PALA, Z., GANEV, N. Vliv způsobu chlazení na zbytková napětí v povrchové vrstvě broušených součástí. Jemná mechanika a optika. Lektor neuveden. 53. roč., 2008, č. 9. s ISSN [9] ČSN EN ISO Geometrické požadavky na výrobky (GPS) - Struktura povrchu: Profilová metoda Termíny, definice a parametry struktury povrchu Praha: Český normalizační institut. [10] BENEŠ, K., KLŮNA, J., aj. Dílenské tabulky pro školu a praxi. 1. vyd. Úvaly: ABRA spol. s r.o., ISBN [11] SBS Manual Balance Control, Jablonec: SB-4500 Manual Balance Control. Návod k použití. Abstract Article: The Influence of dynamic balancing of abrasive wheel on surface roughness of machined part Author: Workplace: Assoc. Prof. Jan Jersák M.Sc., Ph.D. Department of Machining and Assembly, Faculty of Mechanical Engineering, Technical University of Liberec. Keywords: cutting, grinding, dynamic balancing, surface roughness of workpiece The grinding process is a fundamental finishing method of cutting. As far as for grinding process are used grinding wheels, then these tools turns at high Rpm, to obtain high cutting speed. To ensure the quality of grinding it is necessary to have the grinding wheel balanced. Balancing consists of arrangement of masses so, as to have the centre of gravity of rotating tools, flange and spindle within the geometric centre of the system or at least within the turning axis. With unbalanced wheel rise at high speeds inertial force, which effects at rotation an alternating load on spindle. Due to it the vibration rises with undesirable deterioration in quality of finished surface and accuracy. These vibrations also increase burden on the spindle bearings. In the laboratory of cutting and assembly in TU of Liberec there were tests made on the plane grinding machine BPH 320A, at which there were examined the influence of the oscillation amplitude at grinding (i.e. sizes of amplitude of the grinding spindle in radial direction) on the parameter of surface roughness. For trial there were applied steel specimens ČSN (EURO - C45), (EURO - 100Cr6) and (EURO - 55WCrV8). The plane surfaces were ground by wheel perimeter with recessing method and defined cutting conditions i.e. working engagement 0,03 or 0,01 mm either without processing liquid or with processing liquid CIMSTAR 506. The tested specimen was ground with dynamically balanced abrasive wheel or with wheel where the predefine unbalance was fixed. The unbalance value was reached by using system SBS Manual Balance Control, SB For the surfaceroughness measurement at tested specimens was used laboratory profile meter Mitutoyo Surftest SV-2000N2. The average arithmetical deviation of review profile Ra was assessed. The results of test measurements are presented record, from which it is evident, that the state of the abrasive wheel balance has meaningful and definite influence on the surface roughness of ground parts. Within assessed extent of abrasive wheel balancing (from defined unbalance 4 mm into state of well-balanced grinding wheel) was discovered, that with dynamic balancing the parameter of surface roughness improved at the average of 65 %. 76

77 Nástrojové oceli pro výrobu razidel a jejich vhodnost pro povlakování Kalincová Daniela, Ing., PhD., Fakulta environmentálnej a výrobnej techniky, TU vo Zvolene Náprstková, Nataša, Ing, Ph.D., Fakulta výrobních technologií a managementu, UJEP v Ústí nad Labem Hanes Tomáš, Ing., Fakulta environmentálnej a výrobnej techniky, TU vo Zvolene Cílem příspěvku je analyzovat kvalitu vzorků experimentálně povlakovaných razidel vyrobených ze dvou kvalitativně odlišných druhů nástrojových ocelí. V úvodě je přehled metod povlakování a požadavky na materiály před aplikací povlaků. Pro experimentální hodnocení kvality vrstev z hlediska jejich mechanických a strukturních vlastností byly použity adekvátní metody měření tvrdosti, mikroskopická analýza s měřením tloušťky povlaků a hodnocení kohezních vlastností. V závěru je analýza materiálů a vplyv na životnost razidel, která byla zjištěna v provozu při ražbě mincí. Klíčová slova: metody povlakování, kvalita povlaků, nástrojová ocel, měření tvrdosti, kohezní vlastnosti 1 Úvod Na nástroje sloužící k ražení mincí jsou kladeny speciální požadavky. Kromě tuhosti nástroje to je zejména požadavek na kvalitu aktivních ploch nástrojů, které determinují dobu životnosti razidel do jejich vyřazení z provozu. Na funkční plochy (reliéfy) razidel se aplikují povlaky, které zvyšují tvrdost a odolnost vůči opotřebení. Protože nanášení chromových vrstev, které je v současnosti nejčastěji používané, zvyšuje environmentální zátěž podniku, je snahou inovovat technologie povlakování pro zvyšování životnosti reliéfu. Existují technologie povlakování, které je nutno ověřit v praxi, zejména vybrat z nabízených nástrojových ocelí ty správné, které se, vzhledem k jejich tepelnému zpracování, hodí na PVD, nebo PACVD povlakování. Vytváření tenkých povrchových vrstev typu TiN a jejich modifikací si vyžaduje experimentálně odzkoušet kombinace substrátu a povlaku jak laboratorně tak v praxi. V příspěvku je představen experiment zaměřený na hodnocení kvality povlaků aplikovaných na nástrojové ocele BOHLER, z kterých se razidla běžně vyrábějí. 1.1 Vhodnost nástrojových ocelí na povlakování V současnosti je známo vícero technologií vytváření tvrdých vrstev, ale pro nástrojové ocele Bohler určené pro výrobu razidel jsou vhodné jen ty, které mají nižší depoziční teploty, jako např. naprašovací metoda od firmy Oerlikon Balzers. Schematicky je znázorněna na obr.1. Obr. 1 Schéma zařízení pro naprašování [1] 1 vstup argonu, 2 vstup reaktívního plynu, 3 rovinný magnetronový zdroj naprašování, 4 povlakované součástky, 5 vakuové čerpadlo Fig. 1 Scheme of the equipment for coating [1] 1 input of argon, 2 reactive gas- input, 3- magnetron source of coating, 4 coated components, 5 the vacuum pump Fyzikální procesy PVD tvoření tenkých vrstev jsou založeny na rozprašovaní nebo odpařování pevné látky (terče, resp. chemického povrchu), např. titanu, hliníku, na bombardování substrátu směsí neutrálních atomů a ionů a kondenzaci chemických prvků nebo sloučenin kovu na povrchu substrátu ve vysokém vakuu 10-6 až 10 Pa [2]. Do vakuové komory je vpouštěn pracovní plyn, např. argon či dusík. Podmínky vzniku a vlastnosti vytvořených vrstev jsou velmi různorodé. Na obr. 2 jsou porovnány aplikační teploty a vlastnosti povlaků vytvořených různými metodami povlakování. 77

78 Obr. 2 Vlastnosti povlaků dle použité depozice [3] Fig. 2 Properties of coatings according to the deposition [3] Je možné vybrat z vícera možností, jak povlakovat razící nástroje. Při výběru kombinace materiál povlak je důležité se zaměřit se na faktory, které ovlivňují správnou funkčnost povlaku [4]. Zásadní faktory, které ovlivňují kvalitu a funkci povlaku, jsou: základní materiál (substrát), procesy tepelného zpracování a příprava povrchu [5]. Kvalita povlaku může být dosažena jen v případě, když základní materiál svou mikrostrukturou tvoří dobrý podklad. Nástrojové ocele (ať už konvenční či práškové) se vyznačují specifickými vlastnostmi, které je předurčují pro určité aplikace. V praxi se často přistupuje ke kompromisům. Razidlo je vyrobeno z materiálu vhodnějšího pro technologii výroby reliéfu tvářením (nástrojová ocel Bohler K455, K605) a povlakováno nízkoteplotním procesem (250 C), protože při C, jak se uvádí pro PVD povlakování, by došlo k popuštění struktury a snížení tvrdosti a pevnosti materiálu. Toto řešení ale není ideální a povlak má obvykle nižší životnost. Tepelné zpracování razidel se skládá z kalení a nízkoteplotního popuštění. Mělo by se provádět ve vakuových pecích, aby nedocházelo k oxidaci či oduhličení povrchu. Příprava povrchu razidel je velmi důležitá, protože při ražení mincí i malé poškození funkčního povrchu razidla bude způsobovat rychlejší adhezivní opotřebení reliéfu nástroje. Do případných mikroskopických dutin reliéfu může zatéká materiál z polotovaru, což může snižovat životnost nástroje. Povrch by měl být před povlakováním vyleštěný [6]. Na obrázku 3 je mikrostruktura systému materiál (substrát) povlak. V tabulce 1 jsou uvedeny parametry povlakování z hlediska aplikačních teplot a dosažených vlastností, které běžně na nástroje aplikuje firma Oerlikon Balzers. Tyto hodnoty však nejsou vhodné pro ocele určené pro výrobu razidel. Obr. 3 Mikrostruktura sytému materiál povlak [1] Fig.3Microstructure of material coating system [1] Tab. 1 Porovnání procesů povlakování (Oerlikon Balzers): teploty, dosažené parametry Tab. 1 Coating processes : temperatures, achieved parameters Kvalita povlaku BALINIT FUTURA NANO TiAlN BALINIT A - TiN BALINIT MICRAN TiAlN Teplota povlakování [ C] Dosažená tvrdost [HV0,05] Barva fialovošedivá tmavožlutá fialovosivá 78

79 2 Experimentální materiál Analyzovaná razidla bola vyrobena z nástrojových ocelí Bohler K455 a K605. Vzhledem na chemické ložení a popouštěcí diagramy ocelí byly povlaky na reliéfy aplikovány metodou PVD při teplotách 250 C,což nepředstavuje standardní podmínky povlakování. Vzorek č. 1 Substrát: Ocel Böhler K 455, Typ povlaku: PVD, TiAlN Balinit Futura Nano Arctic Oerlikon Balzers, Nemecko Životnost: ks mincí Vzorek č. 2 Typ povlaku: PVD, TiAlN, Balinit Futura Nano Arctic Oerlikon Balzers, Nemecko Substrát: Oceľ Bohler K 605, Životnos: ks mincí 3 Metody hodnocení kvality povlaků Na vyhodnocení kvality povlaků byly použity následující metody: 1) makroskopické hodnocení reliéfu razidel, 2) měření mikrotvrdosti povrchových vrstev, 3) mikroskopická analýza a měření tloušťky vrstev, 4) zkoušky kohezních vlastností vrstev. 4 Výsledky hodnocení vzorků 4.1 Makroskopické hodnocení reliéfu Obr. 4 Makroskopické zobrazení porušení povlaku na vzorku č. 1 Fig.4 Macrostructure of coating sampleno1 Obr. 5 Makroskopické zobrazení porušení povlaku na vzorku č.2 Fig.5 Macrostructure of coating sampleno2 Při pozorování povrchu razidel pod stereomikroskopem byly zjištěny poruchy povlakův v podobě odloupnutí vrstvy. Rozsah poškození byl různý. 4.2 Měření mikrotvrdosti povrchových vrstev Tvrdost povlaků byla měřena metodou HV0,1 na povrchu reliéfu razidel, výsledky jsou shrnuty v tab. 2. Tab. 2 Naměřené hodnoty tvrdosti metodou HV 0,1[7] Tab. 2 Measured values of hardness by the HV0,1 method [7] Měřený vzorek průměrná hodnota HV0,1 tvrdost substrátu HRC tloušťka vrstvy [µm] Vzorek 1 HV0, ,62 Vzorek 2 HV0, ,20 Z naměřených hodnot je vyplývá, že ocel K455 byla vhodnějším podkladem pro tvorbu povlaku, o čemž svědčí vyšší hodnoty tvrdostí. 79

80 4.3 Mikroskopická analýza a měření tloušťky vrstvy Obr.6 Mikrostruktura povlaku s naměřenými hodnotami tloušťky (vzorek 1) Fig. 6 Microstructure of coating - measurement of thickness sample No1 Obr.7 Mikrosruktura povlaku s naměřenými hodnotami tloušťky (vzorek 2) Fig.7 Microstructure of coating - measurement of thickness sample No2 Na obrázcích 6 a 7 je vidět rozdílné tloušťky získaných povlaků na reliéfech razidel a trhliny v povlacích, které jsou způsobeny rázovým zatížením při tvářícím procesu. V tabulkách 3 a 4 jsou zaznamenána měření tloušťky povlaků pomocí software pro analýzu obrazu NIS Elements. Tab. 3 Naměřené hodnoty tloušťky povlaku použitého razidla vzorku č.1 Tab. 3Measured values of coating thickness sample No1 Měření č. Tl. vrstvy [µm] ,63 3,62 3,38 3,65 3,69 3,63 3,63 3,62 3,62 Průměrná hodnota tloušťky povlaku vzorku č.1 je 3,61 µm. Tab. 4 Naměřené hodnoty tloušťky povlaku použitého razidla vzorku č.2 Tab. 4 Measured values of coating thickness sample No2 Měření č Tl. vrstvy [µm] 3,89 3,22 3,38 2,89 2,65 3,14 3,14 3,28 3,22 Průměrná hodnota tloušťky povlaku vzorku č.2 je 3,2 µm. 4.4 Zkoušky kohezních vlastností PVD vrstev Měření adhezivně-kohezního chování systému bylo prováděno pomocí indentační zkoušky. Na obrázcích 8 a 9 jsou vidět otisky, které vznikly pod silou 1500N. Výsledky zkoušek byly hodnoceny dle porovnávací stupnice. [8] Obr. 8 Výsledky indentační zkoušky - Vzorek 1 Fig. 8Results from indentation test sample No1 Obr. 9 Výsledky indentační zkoušky Vzorek 2 Fig. 9 Results from indentation test sample No2 Okolí otisků se vyznačuje minimálním porušením, což je důkazem velmi dobrých adhezivně-kohézních vlastností systému. Pro oba vzorky boly zjištěny následující výsledky: Adhezivní číslo HF1, A/K koeficient A1/K1. 80

81 5 Závěr Na obě razidla byl aplikován stejní typ povlaku, před povlakováním byly tepelně zpracovány na stejnou východiskovou tvrdost 57 HRC. Na experimentálních vzorcích je vidět značný rozdíl v tvrdosti povlaků měřených metodou HV 0,1 (viz tab.2), v jejich tloušťce (viz tab. 3 a 4) a celistvosti povlaku (obr. 6 a 7). Životnost razidel byla zjištěna v provozních zkouškách. Razidlo 1 vyrobeno z materiálu K455 vyrazilo ks mincí, razidlo 2 z materiálu K605, vyrazilo jen ks mincí. Materiál K455 poskytl lepší kvalitu systému tenká vrstva substrát než materiál K605. Na základě těchto výsledků jsme analyzovali chemické složení a popouštěcí diagramy použitých ocelí. Odlišná chemická složení a popouštěcí diagramy objasnili tento velký rozdíl v dosažené životnosti. U razidla z oceli K605, která obsahuje nikl, došlo při aplikaci povlaku ke snížení tvrdosti už při teplotě 200 C na hodnotu 55HRC, což by se u oceli K455 s obsahem wolframu projevilo až při teplotě 350 C. Ocel K455 si i po povlakování zachovala vlastnosti získané tepelným zpracováním. Podrobnější analýzu systémů substrát povlak by bylo vhodné provést modernějšími metodami, což bude cílem pokračování výzkumu vhodnosti nástrojových ocelí pro povlakování. Literatúra [1] Oerlikon Balzers Coating Austria GmbH - internetový katalóg [online]. [cit ] Dostupné na internete: < [2] JURKO, J. ZAJAC, J. ČEP, R. Top trendy v obrábaní : II. Časť Nástrojové materiály. Bratislava : MEDIA/ST, s. ISBN [3] KAVECKÝ, Š. Príprava a aplikácia moderných povlakov pripravených z plynnej fázy metódou CVD [online]. [cit ]. Dostupné na internete: < [4] HOŘEJŠ, S. Povlakování nástrojů metodou PACVD. In MM Průmyslové spektrum [online]. 4/2008 [cit ]. Dostupné na internete: < [5] CSELLE, T. - HOLUBÁŘ, P. - JÍLEK, M. - RŮŽIČKA, M. - ŠÍMA, M. - ZINDULKA, O. PVD technologie přípravy otěruvzdorných a kluzných vrstev v průmyslových podmínkách. In Jemná mechanika a optika [online]. 4/2006 [cit ]. Dostupné na internete: < [6] MADORSKY, Y. THOMPSON, M. New developments in wear-resistance tool coatings for stamping applications [online]. [cit ]. Dostupné na internete: < [7] MOTOLA, M. Zvyšovanie spoľahlivosti a životnosti nástrojov na razenie mincí hodnotenie kvality povlakov : diplomová práca. Zvolen : Technická univerzita vo Zvolene, s. [8] ŠOŠOVIČKOVÁ, J. Modifikovanie vlastností povrchov kovových materiálov PVD metódami : dizertačná práca. Brno : Univerzita obrany v Brne, Abstract Article: The steels for production of coining die and their suitability for coating Author: Kalincová Daniela, MSc. PhD., Náprstková, Nataša, MSc., PhD. Hanes Tomáš, MSc. Workplace: Faculty of Environmental and Manufacturing Technology, Technical University in Zvolen, Faculty of Production Technology and Management, Jan Evangelista Purkyně University in Ústí nad Labem Keywords: methods of coating, quality of layers, tool steel, hardness measurement, cohesion testing The paper describes the requirements for the properties of tool steels intended for the production of tools for coining, analyses the appropriateness of steels for coating by modern PVD technology. On the basis of the material properties of tool steels K455 and K605, the conditions of the coating for two experimental dies were designed. After creating of AlTiN coatings in the company Oerlikon Balzers, these dies have been tested in the operation. The lifetime of dies, which was determined in operation, is expressed in number of produced coins. The die, which was produced from steel K455, has made more mints, than the one made of steel K605. Subsequently, the tests for coatings quality assessment and for their cohesion behaviour were conducted at both samples. Besides a macroscopic analysis of the relief, the hardness and the thickness of the coating layers were evaluated. At the end, an analysis of composition and properties of steels after heat treatment in relation to the quality of layers was made. 81

82 Využití protokolu STEP a STEP NC při programování CNC strojů Ján Kardoš, Ing., Tomáš Michalčík, Ing., Čuboňová Nadežda, doc. Ing. PhD., Katedra automatizácie a výrobných systémov, Strojnícka fakulta, Žilinská univerzita v Žiline Od první generace číslicově řízených (NC) obráběcích strojů vyvinutých v padesátých létech dvacátého století došlo k mnohým změnám, které vedly k vytvoření dnešních NC strojů, které jsou k nepoznání od jejich předchůdců. Další vývoj je však značně omezen současným programovacím jazykem ISO 6983, který zabezpečuje NC výrobu od jejího vzniku. V současné době se začíná používat nový standard, známý pod názvem STEP NC, jako základ pro novou generaci CNC řídících jednotek. Tento standard je popsán v normě ISO a ISO AP238. Tento standard dává výrobcům CAM systémů a CNC strojů možnost integrovat schopnosti CAD/CAM systémů do nové generace CNC řídících jednotek, které dokáží zabezpečit obousměrnou komunikaci a zpětnou vazbu informací, které reprezentují geometrická a výrobní data. Klíčová slova: STEP NC, data, standard. 1 Standard STEP STEP (Standard for the Exchange of Product Model Data), tedy standard pro výměnu modelu výrobních dat je velký a výkonný soubor ISO standardů, který je označen ISO Celkovým cílem standardu STEP je poskytnout mechanizmus pro kompletní a jednoznačnou definici produktu během celého jeho životního cyklu. STEP poskytuje všestranné užitečné datové modelovací metody a datové modely, zaměřené na specifické průmyslové použití. Standard STEP obsahuje několik desítek oddělených dokumentů. Článek uvádí typický příklad použití standardu STEP. Konstruktér motoru automobilu, který pracuje s běžně dostupným CAD (Computer Aided Design) systémem, navrhne blok motoru. Východisková reprezentace CAD návrhu je vlastní výrobci CAD systému, ale do CAD systémů byl také zabudován STEP výstupní modul který překládá tuto vlastní reprezentaci do reprezentace, která používá aplikační protokoly STEP pro řízenou konfiguraci návrhu (AP203). Reprezentace pomocí AP 203 je uložena v datovém souboru STEP za použití části 21 standardu STEP. Návrh bloku motoru uložený ve formátu STEP část 21 je poslán do výrobního závodu. Výrobní inženýr v závodě, který používá CAD systém od jiného výrobce, načte soubory ve formátu STEP. Toto je možné víky tomu, že výrobce jiného CAD systému také implementoval STEP NC AP203. Systém obsahuje modul, který dokáže číst STEP soubory a vytvořit návrh ve východiskovém formátu druhého CAD systému. S návrhem obsaženým v CAD systému se nyní může výrobní inženýr pustit do práce na obrábění bloku motoru. Pokud chce výrobní inženýr navrhnout změny v designu, může v CAD systému uložit soubor STEP AP 203 dle části 21 a odeslat ho zpět konstruktérovi. STEP je také možno použít na spojování informací o návrhu na úrovni vlastností (AP224) a informací o výrobě na úrovni operací (AP238). Jádrem standardu je knihovna technických definic, která může být poskládaná do různých "aplikačních protokolů", které jsou přizpůsobeny modelům výrobků potřebných pro samostatná průmyslová odvětví a aktivity. Společná knihovna zahrnuje geometrii, typologii, tolerance, vztahy, atributy, sestavy, nastavení a další charakteristiky[2]. 1.1 Aplikační protokoly Schopnost podporovat mnoho protokolů v jednom rámci je jedna z klíčových silných stránek standardu STEP. Všechny protokoly jsou postaveny na stejné sadě integrovaných zdrojů (IR, Integrate Resources), takže všechny používají stejné definice pro stejné informace, např. AP203 a AP214 používají stejnou definici pro trojrozměrnou geometrii, montáž a jednoduché informace o produktu. Díky tomu mohou výrobci CAD systémů podporovat oba dva protokoly s použitím jednoho kódu. Každý aplikační protokol obsahuje oblast popisující jeho účel, diagram činností, který popisuje funkce, které inženýr potřebuje vykonat v rámci této oblasti. Tyto požadavky na informace jsou pak mapovány do společného souboru integrovaných zdrojů a výsledkem je standard výměny dat pro aktivity v oblasti působnosti. Konečným cílem protokolu STEP je pokrýt celý životní cyklus součástky, od koncepčního návrhu až po konečnou likvidaci pro všechny druhy výrobků. Avšak potrvá ještě několik let, než bude tohoto cíle dosaženo. Nejvíce hmatatelnou výhodou pro dnešní uživatele standardu STEP je schopnost výměny konstrukčních dat ze 3D modelů a sestav 3D modelů. Také jiné standardy pro výměnu dat, jako např. nejnovější verze IGES, podporují výměnu dat 3D modelů, ale v menší míře [1]. Aplikační protokoly jsou zaměřeny na určitou doménu aplikace a jako součást protokolu STEP jsou určeny pro implementování, pro průmyslové účely. Když byl ve standardu STEP po prvé představen koncept AP, měl tři části: Model činnosti aplikace (AAM - Aplication Activity Model) o Model činnosti a datových toků aplikace 82

83 Referenční model aplikace (ARM - Aplication Referenced Model) o Datový model potřebný pro konkrétní aplikaci Model interpretovaný aplikací (AIM Aplication Interpreted Model) o Kódování ARM z hlediska Integrovaných zdrojů STEP. Toto je model, který je určen pro implementaci do systémů, které používají STEP. Mimo toho, aby byla možná částečná implementace velkých AP, STEP dovoluje definici shody tříd AP, což je jen část funkčností AP[1]. 2 Standard STEP NC STEP NC je aplikace metod STEP pro číslicově řízené stroje. STEP NC byl a nadál je vyvíjen za pomoci globálního úsilí. V rámci ISO byly aktivní dva různé podvýbory (SC1 a SC4) hlavní komise TC 184. SC1 se zaměřil na řízení strojů, zatím co SC4 na průmyslové údaje. Odkdy existují údaje o výrobku a řídící programy pro obrábění součástek, existuje přirozené prolínání SC1 a SC4. Soubor standardů ISO 14649, který pod názvem "model dat pro CNC řadiče" byl vyvinut SC1. Datové modely jsou psané v EXPRESSE a jsou to ARM datové typy, které používají oblastní terminologii pro obrábění. Časti ISO14649 uvedené níže se staly mezinárodními standardy. Částečně byly rozvinuty i jiné části. V plném proudu je také další vylepšování existujících standardův. Část 1: Část 10: Část 11: Část 12: Část 13: Část 14: Část 111: Část 112: Přehled a základní principy Všeobecná data procesu Data pro proces frézování Data pro proces soustružení Data pro obrábění EDM pomocí drátové elektrody Data pro obrábění EDM pomocí tvarové elektrody Nástroje pro frézování Nástroje pro soustružení Část 10 poskytuje soubor základních funkcí pro plánování procesů pro obráběné díly. Díly 11 a 12 se specializují na možnosti pro frézování a soustružení. SC1 zjevně používá reprezentační metody dat STEP také pro ISO 4649, od částí ISO 14649, které obsahují příklady použití souborů STEP čast 21. Avšak SC1 nepřebrala používání STEP AIM. Výměna souborů pro průmyslové použití může být velmi dobře uskutečněna použitím části 21, založené na modelovém typu ARM. Co není možné udělat pomocí modelových typův ARM, je ukládání programů do databáze, která je implementovaná jen za použití STEP integrovaných zdrojů na nejnižší úrovni [1]. SC4 pracovní skupina výroby přijala model ARM vytvořený v SC1 jako ARM pro AP238. Na rozdíl od ISO 14649, která má oddělené části, AP238 obsahuje ekvivalent všech částí ISO v jednom velmi velkém modelu. Bohužel, ISO vytváří své vlastní popisy funkcí obrábění, jako by měl používat ty, které jsou dostupné v AP 224 standardu ISO Tyto dvě sady funkcí obrábění jsou si podobné ale mají velmi významné rozdíly. Při vytváření AP238 bylo rozhodnuto modifikovat funkce ISO více než v AP224. Ve skutečnosti tedy ARM AP238 není tak úplně část ISO Existuje několik dalších znaků AP238, které ho odlišují od ISO AP 214 má také obráběcí funkce, ale boly vytvořeny stejně jako v AP 224. Zahrnutí kontroly v AP238 je výhoda, která umožňuje integrovat obrábění a kontrolu. Oba standardy (ISO a ISO ) nás přivádějí k myšlence plánování procesu na makroúrovni se snahou nahradit G a M kódy, které jsou tradiční a stále značně používané pro programování CNC strojů [2]. 3 Princip STEP NC Cílem je poskytnout CNC řídící jednotku s větším množstvím strukturálních informací o obráběcím procesu než ISO Step NC je založen na standardu STEP a byl vyvinut s pomocí vícero projektů na celém světě. STEP NC poskytuje objektově orientovaný datový model pro CNC řídící jednotky a byl zavedený jako standard ISO a STEP část 238. První demonstrace prototypu STEP NC řídících jednotek a softwarového řešení byly vyvinuty v několika posledních létech. Podporují různé fáze procesního řetězce STEP NC a poskytují úctyhodné výsledky. Procesní řetězec založený na STEP NC je v této části zaveden proto, aby se dramaticky zvýšila interoperabilita v NC procesního řetězce. Proces plánování v procesním řetězci založeném na STEP NC je založen na STEP [4]. Jak je vidět na Obr.1, obrobek pracovního plánu je přidružen s pomocí funkcí obrábění a pracovních kroků obrábění. To znamená, že obrobek se skládá z funkce obrábění (založené na zmapované nebo převedené funkce návrhu). Funkce obrábění jsou reprezentovány jedním pracovním krokem obrábění, který sestává z jednotlivých operací obrábění. Operace obrábění reprezentují aktivity stroje pro obrobení operace. Operace zahrnuje nástroj a technologii (např. hĺoubku řezu, otáčky vřetena, strategii a dráhu nástroje). Takže operace obrábění mají alternativní operace obrábění, které dělají stejné funkce obrábění ale s alternatívními parametry [1]. 83

84 Obr.1 ISO datový model pro funkce 3D frézování Fig. 1 ISO data model for 3D feature milling. 4 Závěr Integrace v CAx systémech se často uskutečňuje prostřednictvím datových souborů, kde vzniká problém s transformací různých datových modelů a často i v nejednoznačnosti reprezentace dat. Už delší dobu existovala potřeba vytvoření jednoduchého standardu, který by v neutrální formě shromáždil informace v rámci dátové struktury během celého životního cyklu součástky. Odpovědí bylo vytvoření formátu STEP, který je normalizován normou ISO obsahující údaje o reprezentaci a výměně dat o produktu během vývoje výrobku. Jeho rozšířený formát STEP NC slouží pro přenos údajů mezi CAD/CAM systémy a CNC stroji. Na pracovišti Katedry automatizácie a výrobných systémov se uvedená problematika v současnosti řeší v rámci výzkumných a grantových úloh. Je zaměřená hlavně na využití a analýzu protokolu STEP NC a implementaci jeho datových struktur při programování CNC strojů. Příspěvek vznikl na základě řešení grantové úlohy VEGA1/0400/11 Literatúra [1] Xun.H., Nee Y.C., Advanced design and manufacturing based on STEP. Springer-Verlag London, 2009, 465s. ISBN [2] ISO Industrial automation systems and integration Product data representation and exchange- Part 238: Application protocol: process plans for machining product, Geneva, Switzerland. [3] ISO Industrial automation systems and integration Product data representation and exchange- Part 11: Description methods: The EXPRESS language reference manual, Geneva, Switzerland. [4] KARDOŠ, J. MICHALČÍK, T. ČUBOŇOVÁ, N.: Create of the STEP NC Data be the Aid of EXPRESS Language. In: CA Systems in Production Planning. Journal, 1/2011, Number 1, Volume 12, CUT Cracow, str ISSN (ADE) [5] Web- /step_2.html [6] LASTOVIČKA,J., Podpora pro práci se standardem STEP/Express: diplomová práca. Praha: České vysoké učení technické v Praze. Fakulta elektrotechnická, s. Abstract Article: Utilization of Protocol STEP and STEP NC for programming of CNC machines Author: Ján Kardoš, Ing. Tomáš Michalčík, Ing. Čuboňová Nadežda, doc. Ing. PhD. 84

85 Workplace: University of Žilina, Mechanical Engineering, Department of Automation and Production Systems, Univerzitná 8215/1, Žilina, Keywords: STEP NC, data model, machining process, STEP-NC is a new model of data transfer between CAD/CAM systems and CNC machines. It remedies the shortcomings of ISO 6983 by specifying machining processes rather than machine tool motion, using the objectoriented concept of workingsteps. Workingsteps correspond to high-level machining features and associated process parameters. CNCs are responsible for translating workingsteps to axis motion and tool operation. Workingsteps that are the smallest task description unit is included. A major benefit of STEP-NC is its use of existing data models from ISO 10303, also called STEP. STEP-NC is being developed concurrently under two different subcommittees of ISO Technical Committee 184, Industrial automation systems and integration, as two different standards, ISO Data model for computerized numerical controllers and ISO Application interpreted model for computer numeric controllers. Both of them can be represented in Based on our knowledge, we think that STEP NC (ISO 14649) data model contains all information about manufacturing information of the part. It has good and clear structure from project, workplan and workpiece, working steps and setup to features as well as its operations etc. It is feature-based and task-oriented which tells what to do other than how to do about the part. It is adaptable independent of machine tools. It is also conforms to ISO Thus, the advent of STEP-NC brings tremendous potential and chances to future development of manufacturing. Work with the schemas STEP NC model data requires a sophisticated approach, because it is the core standard STEP NC. Requires are programming and technological knowledge along with time-consuming stage. 85

86 Mechanické vlastnosti a two-body abrazívní opotřebení polymerních částicových kompozitů Kejval Jiří, Ing., katedra materiálu a strojírenské technologie TF ČZU v Praze Müller Miroslav, doc., Ing., Ph.D, katedra materiálu a strojírenské technologie TF ČZU v Praze Henc Petr, Ing., katedra materiálu a strojírenské technologie TF ČZU v Praze Základním předpokladem rozvoje lidské společnosti je materiálový výzkum a s tím spojené technologie. Pro optimální volbu materiálů a jejich vzájemné kombinace je podstatná znalost jejich chování a vzájemná interakce. Dynamicky se rozvíjející skupinou materiálů jsou bezesporu plasty a materiály na jejich bázi dále zdokonalované. Do této skupiny je možno zařadit tzv. polymerní kompozity synergicky kombinující mechanické vlastnosti zpevňující fáze a vhodné vlastnosti matrice. Cílem studie je hodnocení mechanických vlastností a odolnosti vůči abrazivnímu opotřebení materiálů na bázi polymeru a oxidu hlinitého o proměnných koncentracích. V článku jsou uvedeny laboratorní výsledky meze pevnosti v tahu, tvrdosti Shore D, rázové houževnatosti a two-body abrazívního opotřebení. Výsledky laboratorních experimentů prokázaly rostoucí, ale i klesající trend dílčích mechanických vlastností v závislosti na proměnlivosti koncentrace plniva. Pozitivním trendem je především lineární trend nárůstu odolnosti vůči opotřebení, který je u těchto systémů při praktické aplikaci žádoucí. Klíčová slova: Al2O3, mechanické vlastnosti, polymerní částicový kompozit, two-body abrazívní opotřebení, 1 Úvod Pokroku v oblasti strojírenství bude zajištěno aplikací materiálů na bázi polymerů a výzkumem jejich mechanických a tribologických vlastností [11]. Příkladem takového výzkumu je výzkum elektrické vodivosti u polymerních částicových kompozitů, výzkum v oblasti aplikaci odpadů polymerních částicových kompozitů [8, 15]. Obdobnou perspektivou v oblasti materiálového výzkumu jsou mnohem náročnější systémy aluminidů určené narozdíl od polymerních materiálů pro vysokoteplotní aplikace. Aluminidy se vyznačují vysokou odolností proti abrazívnímu opotřebení [12]. Pod pojmem kompozitní materiály rozumíme heterogenní materiály složené ze dvou nebo více fází, které se vzájemně výrazně liší svými mechanickými, fyzikálními a chemickými vlastnostmi [16]. Fáze v kompozitním materiálu nazýváme matrice a výztuž. Nespojitá fáze se nazývá plnivo (zpevňující fáze) a spojitá fáze se nazývá matricí. Mezi netradiční způsoby vytvoření nových funkčních povrchů patří možnost vytvoření kompozitních vrstev pevně spojených se základním materiálem. Základním předpokladem pro optimální volbu materiálů a jejich případnou kombinaci je znalost jejich chování a vzájemná interakce. Při aplikaci na pracovních plochách jsou podstatným elementem tribologické vlastnosti, které se výrazně mění na základě objemového podílu, mechanických vlastností zpevňující fáze a interakce rozhraní zpevňující fáze / matrice. Müller [9] testoval polymerní částicové kompozity na bázi Epoxid/Al2O3 na abrazívní opotřebení metodou two-body. Opotřebení bylo testováno ve vysoce abrazívním prostředí vázaného abraziva tj. brusného plátna o zrnitosti 220. Odolnost vůči opotřebení vykazovala lineární rostoucí trend. Tento trend je možno využít v dalším výzkumu. Limitou je nasycenost připravované kompozitní směsi plnivem. Three body abrasion tento trend nemusí potvrzovat. Myshkin et al. [11] upozorňují na creepové chování polymerů, potažmo polymerních kompozitů. Vzniká u nich silná závislost na teplotě a citlivost na okolní prostředí, díky kterým dochází k výrazným změnám mechanických vlastností. Doporučuje efektivní použití těchto systémů v praxi v podobě povlaků. Důvodem tohoto závěru byl dlouhodobý výzkum creepového chování. Cílem studie je hodnocení mechanických vlastností a odolnosti vůči abrazívnímu opotřebení materiálů na bázi polymeru a oxidu hlinitého o proměnných koncentracích. 2 Metodika Pro posouzení vlivu zpevňujících částic na vlastnosti polymerních kompozitů bylo nutno vytvořit nový kompozit. Funkci matrice kompozitu zastupuje dvousložkové epoxidové lepidlo ECO-EPOXY Plnivo neboli vyztužující fáze byla ve formě brousicích zrn oxidu hlinitého (Al2O3) o zrnitosti F1200, tj. velikosti zrna cca 3 μm. Stanovení koncentrace dílčích složek bylo vyjadřováno pomocí podílů v objemových procentech, přičemž byl vyloučen vliv rozdílné hustoty. Smísením stanoveného množství matrice a zpevňující fáze byl vytvořen kompozit, kterého bylo použito k přípravě zkušebních těles specifikovaných v normách. Kompozitní materiály byly připraveny o koncentraci 10, 20, 30, 40 a 50 %. Porovnávacím etalonem byla dvousložková epoxidová pryskyřice ECO-EPOXY K objektivnímu posouzení laboratorních experimentů a získání dalších informací o souborech naměřených dat bylo použito číselných a grafických statistických charakteristik. Jednotlivé vlivy byly 86

87 analyzovány na základě laboratorních experimentů provedených podle příslušných technických norem na zkušebních tělesech požadovaných tvarů a rozměrů. Pro každou zkoušku bylo nutno připravit odlišná zkušební tělesa tak, jak je předepisují jednotlivé normy. Tato zkušební tělesa v podobě rozmíchané směsi kompozitu bylo nejdříve třeba odlít do připravených forem, které svým tvarem a rozměry odpovídaly daným normám. Pro odlití zkušebních těles byla nejprve vyrobena zkušební tělesa z oceli, která představovala negativ pro formy vyrobené z materiálu Lukopren N. Do těchto forem byl poté odléván samotný kompozit v předem připravených koncentracích. Po vytvrzení byla zkušební tělesa broušena pro dodržení normou předepsaných rozměrů. Pro účely hodnocení vlivu koncentrace částic na vlastnosti polymerních kompozitů bylo vycházeno z normy popisující stanovení rázové zkoušky plastů podle ČSN [3]. Destruktivním zkoušením byla stanovena rázová houževnatost an, výpočet byl proveden podle vztahu (1). an = An b.h (1) kde: an - rázová houževnatost [kj.m-2], An - energie spotřebovaná k přeražení zkušebního tělesa [kj], b - šířka zkušebního tělesa [m], h - tloušťka zkušebního tělesa [m]. Pro stanovení tahových vlastností podle normy ČSN EN ISO [4] byla připravena zkušební tělesa o rozměrech předepsaných v normě ČSN EN ISO 3167 [5]. Destruktivním zkoušením byla stanovena mez pevnosti v tahu σ podle vztahu (2): σ= kde: F A (2) σ mez pevnosti v tahu [MPa], F - příslušná naměřená hodnota síly [N], A - plocha počátečního příčného průřezu zkušebního tělesa (šířka tloušťka) [mm2]. Tvrdost byla měřena metodou SHORE D v souladu s normou ČSN EN ISO 868 [6]. Zkušební tělesa měla rozměry mm. Horní strana každého zkušebního tělesa, která měla nerovnosti po odlití, byla obroušena za pomoci brusného plátna na vodorovné desce tak, aby měla rovný povrch. Vzhledem k tvrdosti materiálu, která by přesahovala při použití tvrdoměru Shore A hodnoty vyšší než 90, bylo použito tvrdoměru Shore D. Měřena byla jak dolní, tak horní strana z důvodu ověření možnosti usazování zpevňujících částic v dolní části a tím větší tvrdosti jedné strany. Pro měření bylo použito ručního digitálního tvrdoměru SHORE D SHITO HT Zkoušky abrazívního opotřebení byly provedeny na přístroji, který vznikl na základě poznatků prof. Brožka s brusným plátnem vyznačujícím se vysokou abrazivitou vycházející z normy ČSN [7]. Přístroj, ale i výše uvedená norma je primárně určená pro kovové materiály. Obdobné zařízení je ve světě používáno k testování polymerních a kompozitních materiálů. Příkladem jsou testy Suresha a Ravi Kumara [14]. Zkušební přístroj s brusným plátnem je složen z rovnoměrně se otáčející vodorovné desky, na kterou se upevňuje brusné plátno [1, 2, 7]. Zkušební těleso o rozměrech 25 x 25 x 25 mm je drženo upínací hlavicí a je přitlačováno k brusnému plátnu o zrnitosti F 120 silou vyvozenou sadou závaží s celkovou hmotnosti 2,35 kg. Princip zkoušky odpovídá tzv. two body abrasion, kdy pevně vázané tvrdé částice vnikají do povrchu a při vzájemném pohybu částice tvrdší opotřebovávají měkčí materiál. Tento proces vede k oddělování materiálu a tím k hmotnostním a objemovým ztrátám materiálu. 3 Výsledky a diskuze Z naměřených hodnot rázové houževnatosti (obr. 1) je patrná předpokládaná negativní závislost, kdy přidané částice plniva způsobily pokles rázové houževnatosti, a to ve všech koncentracích. Nejvyšší hodnota 9,3 kj.m-2 byla naměřena u čisté matrice bez přidaných částic. Nejvyšší rázová houževnatost u kompozitu byla při koncentraci 20 %. Lomová plocha kompozitu o koncentraci 20 % je zachycena na obr. 2, přičemž ve struktuře jsou patrné bubliny vzniklé vlivem přípravy kompozitu mimo vakuum. Podobné hodnoty byly i u nižší koncentrace. S postupně se zvyšujícím obsahem přidaných částic korundu klesala rázová houževnatost až na hodnotu 2,35 kj.m-2. Celkově je patrné, že je značný rozdíl mezi čistou matricí, tj. dvousložkovým epoxidem a kompozitem. 87

88 Rázová houževnatost an [kj.m-2] 12 Kompozit 10 y = -0,0539x + 5,2296 R2 = 0,90 Epoxid Koncentrace [%] Obr. 1 Vliv koncentrace plniva Al2O3 o zrnitosti F1200 na rázovou houževnatost Fig. 1 Influence of filler Al2O3 concentration of F1200 grit size on impact strength Obr. 2 Makroskopický pohled na lomovou plochu kompozitu o koncentraci 20 % Fig. 2 Macroscopic view on composite failure area of 20 % concentration Obdobná tendence byla u zkoušky pevnosti v tahu (obr. 3), kdy naměřené hodnoty jasně ukazují, že nejvyšší naměřená hodnota v tahu je u čisté matrice, tedy 45,2 MPa, u kompozitu s částicovým korundem je nejvyšší průměrná hodnota necelých 41 MPa. S rostoucí koncentrací částicového plniva však klesá průměrná hodnota až k 30 MPa u koncentrace 40 a 50 %, kde se naměřené hodnoty ustálily. Z obr. 3 je patrná klesající tendence pevnosti v tahu se vzrůstajícím množstvím plniva v kompozitu. Výsledné hodnoty měření tvrdosti jsou patrné z obr. 4. Při měření tvrdosti byla nejprve měřena spodní strana zkušebních těles tj. strana, u které se v důsledku působení gravitační síly a s tím spojeného usazování plniva očekávala větší tvrdost. Tato hypotéza se potvrdila. Horní vrstva se vyznačovala značnou pórovitostí, a proto je rozptyl výsledků tvrdosti významnější, což je patrné v nestejnorodém korelačním poli. Výsledky přesto prokázaly rostoucí trend se zvyšujícím se objemem plniva. Pórovitost se dá minimalizovat přípravou kompozitní směsi ve vakuu, využití této technologická operace je však pro běžného uživatele obtížné. Podstatným hlediskem je koncentrace 50 %, při které došlo k relativnímu vyrovnání hodnot tvrdosti. Z tohoto výsledku lze usuzovat o nasycenosti kompozitní směsi. Tento závěr je podstatný pro praktickou aplikaci s důrazem na potenciální odolnost vůči opotřebení, a to bez ohledu na gravitační sílu, působící na sedimentaci plniva Tvrdost Shore D Mez pevnosti v tahu σ [MPa] y = -0,2301x + 40,114 R2 = 0,95 20 y spodní strana kompozitu = 0,0339x + 86,95 84 R2 = 0,56 y 82 Kompozit horní strana kompozitu 2 = 0,0615x + 85,415 R = 0,65 Epoxid Koncentrace [%] Koncentrace [%] 50 Spodní strana kompozitu Obr. 3 Vliv koncentrace plniva Al2O3 o zrnitosti F1200 na mez pevnosti v tahu Fig. 3 Influence of filler Al2O3 concentration of F1200 grit size on tensile strength Horní strana kompozitu Epoxid Obr. 4 Vliv koncentrace plniva Al2O3 o zrnitosti F1200 na tvrdost Shore D Fig. 4 Influence of filler Al2O3 concentration of F1200 grit size on hardness Shore D 88

89 Hmotnostní úbytky [g] 2,0 Epoxid Kompozit 1,8 1,6 1,4 y = -0,0084x + 1,7857 R2 = 0,94 1,2 1, Koncentrace [%] Obr. 5 Vliv koncentrace plniva Al2O3 o zrnitosti F1200 na odolnost vůči abrazívnímu opotřebení Fig. 5 Influence of filler Al2O3 concentration of F1200 grit size on abrasive wear resistance Testované kompozitní systémy vykazovaly lineární pokles hmotnostních úbytků, tj. nárůst odolnosti vůči abrazívnímu opotřebení se zvyšující se koncentrací plniva, viz obr. 5. Brusné plátno, kterým byl povrch abrazívně opotřebován má měrný rozměr zrna hlavní frakce v intervalu 106 až 125 μm brusného plátna P120. Hustota polymerních částicových kompozitů byla v rozmezí cca 1,25 až 1,45 g.cm-3. Hustota epoxidové pryskyřice byla 1,15 g.cm-3. 4 Závěr Nízké pořizovací náklady a jednoduchost přípravy je jednoznačným kladným faktorem hovořícím pro možnost aplikace polymerních částicových kompozitů v oblasti praktické aplikace a výrobní sféry. Využitím značného množství kombinací polymerní matrice a plniv můžeme navrhovat materiály kvalitativně zcela nových vlastností. U kompozitu na bázi polymerní matrice ve formě epoxidové pryskyřice má plnivo ve formě mikročástic korundu převážně negativní vliv na rázovou houževnatost a mez pevnosti v tahu. Naopak kladný vliv na růst tvrdosti Shore D a odolnost vůči abrazivnímu opotřebení. Tento trend potvrzuje Shao Yun Fu [13], že tahové vlastnosti se s rostoucí koncentrací lineárně zhoršují. U měření tvrdosti se potvrdily výsledky Müllera a Valáška [10] o lineárním nárůstu tvrdosti Shore D se zvyšujícím se podílem plniva. Opotřebení bylo testováno ve vysoce abrazivním prostředí vázaného abraziva, tj. brusného plátna. Odolnost vůči opotřebení vykazovala lineární rostoucí trend, protože klesaly hmotnostní úbytky, což je předpokladem efektivního řešení. Tento trend je možno využít v dalším výzkumu. Limitou je nasycenost připravované kompozitní směsi plnivem. Výsledky experimentálního výzkumu lze shrnout do následujících závěrů: s rostoucí koncentrací plniva klesají hmotnostní úbytky, tj. nárůst odolnosti vůči abrazívnímu opotřebení se zvyšující se koncentrací plniva, přidané částice plniva způsobily pokles rázové houževnatosti, a to ve všech koncentracích, obdobná klesající tendence u meze pevnosti v tahu se vzrůstajícím množstvím plniva v kompozitu, rostoucí trend tvrdosti se zvyšujícím se objemem plniva až do koncentrace 50 %, kdy došlo k nasycenosti kompozitní směsi. Literatura [1] BROŽEK, Milan; NOVÁKOVÁ, Alexandra. Evalution of sintered carbides wear resistence. In 7th [2] [3] [4] International Scientific Conference Engineering for Rural Development. Jelgava, Latvia University of Agriculture: ČESKÁ ZEMĚDĚLSKÁ UNIVERZITA V PRAZE: Zařízení pro stanovení odolnosti materiálu proti opotřebení vázanými částicemi. Původce: Milan BROŽEK. Česká republika. Užitný vzor ČSN Stanovení rázové a vrubové houževnatosti plastických hmot metodou Dynstat. Praha: Český normalizační institut, s. ČSN EN ISO Plasty:stanovení tahových vlastností. Praha: Český normalizační institut, s. 89

90 [5] ČSN EN ISO Plasty Víceúčelová zkušební tělesa. Praha: Český normalizační institut, [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] s. ČSN EN ISO 868. Plasty a ebonit stanovení tvrdosti vtlačováním hrotu tvrdoměru (tvrdost Shore). Praha: Český normalizační institut, s. ČSN : Stanovení odolnosti kovových materiálů proti abrazivnímu opotřebení na brusném plátně. Praha: Český normalizační institut, s. DOBRÁNSKY, Jozef; KREHEĽ, Radoslav. Zmena technologických parametrov a jej vplyv na hmotnostné charakteristiky výrobku pri vstrekovaní plastov. Strojírenská technologie, Vol. 14, s ISSN KREHEĽ, Radoslav; DOBRÁNSKY, Jozef. Aplikácia dátového analyzujúceho procesu v systéme identifikácie topografie povrchu obrobku. Strojírenská technologie, 2010, Vol. 14, s ISSN MÜLLER, Miroslav; ŠTEFAN, Pavel. Výzkum elektrické vodivosti u polymerních částicových kompozitů. Strojírenská technologie, 2011, roč. 16, č. 5, s ISSN MÜLLER, Miroslav. Polymeric composites based on Al2O3 reinforcing particles. In 10th International Scientific Conference Engineering for Rural Development. Latvia, Jelgava pp MÜLLER, Miroslav; VALÁŠEK, Petr. Polymerní kompozity na bázi zpevňujících částic odpadů z procesu mechanické povrchové úpravy. Strojírenská technologie, 2010, roč. 14, č. zvláštní číslo, s ISSN MYSHKIN, N. K.; PETROKOVETS, M. I.; KOVALEV, A.V. Tribology of polymers: Adhesion, friction, wear, and mass-transfer. Tribology International. 38, 2005, pp NOVÁK, Pavel; ŠERÁK, Jan; VOJTĚCH, Dalibor, aj. Výroba, vlastnosti a použití aluminidů. Strojírenská technologie, 2011, roč. 16, č. 4, s ISSN SHAO YUN FU et al. Effects of particle size, particle/matrix interface adhesion and particle loading on mechanical properties of particulate polymer composites. Composites Science and Technology, 39 (2008), s SURESHA, B.; RAVI KUMAR, B. N. Two-body Abrasive Wear Behavior of Particulate Filled Polyamide66/Polypropylene Nanocomposites. Journal of Applied Polymer Science. Vol VALÁŠEK, Petr.; MÜLLER, Miroslav. Vliv plniva na bázi odpadního abraziva z otryskávání na pevnostní charakteristiky polymerních částicových kompozitů, Strojírenská technologie, 2011, roč. 16, č. 1, s ISSN VOJTĚCH, Dalibor. Materiály a jejich mezní stavy. Praha: VŠCHT, 2010, 212 s. ISBN Poděkování: Tento příspěvek vznikl v rámci řešení grantu IGA TF ČZU Výzkum a vývoj nekovových a kovových materiálů z hlediska jejich odolnosti vůči opotřebení číslo 31140/1312/3116. Abstract Article: Mechanical qualities and two-body abrasive wear of polymeric particle composites Author: Jiří Kejval, M.Sc. Assoc. Prof. Miroslav Müller, M.Sc., Ph.D. Petr Henc, M.Sc. Workplace: Department of Material Science and Manufacturing Technology, Faculty of Engineering, CULS Prague Keywords: Al2O3, mechanical qualities, polymeric particle composite, two-body abrasive wear Basic presumption of the human society development is a material research and connected technologies. A knowledge of the material behaviour and mutual interaction is essentials for an optimum choice of materials and their mutual combinations. Plastics and materials on their basis further improved are a dynamic developing group of materials. This group contains also polymeric composites synergically combining mechanical qualities of a reinforcing phasis and suitable properties of matrix. The aim of the study is the evaluation of mechanical qualities and an abrasive wear resistance of materials based on a polymer and Al2O3 of variable concentrations. The paper states laboratory results of the tensile strength, the Shore D hardness, the impact strength and the two-body abrasive wear. The laboratory experiment results proved increasing but also decreasing trend of single mechanical qualities depending on a variability of the filler concentration. 90

91 Fig. 1 shows the influence of the concentration of the filler Al2O3 of F1200 grit size on the impact strength. The decreasing trend can be seen. The macroscopic view on a failure area of the composite with 20 % concentration after carrying out the impact strength test is visible in fig. 2. Fig. 3 presents the influence of the concentration of the filler Al2O3 of F1200 grit size on the tensile strength. Also the decreasing trend can be seen. Fig. 4 shows the increasing trend of the Shore D hardness. The essential point of view is 50 % concentration at which the relative balance of the hardness values occurred. Tested composite systems showed the linear fall of the mass losses that is abrasive wear resistance accrual with increasing concentration of the filler (fig. 5). 91

92 Integrita povrchu dynamicky namáhaných komponent dekantační odstředivky Kolařík Kamil, Ing. Ph.D., Katedra inženýrství pevných látek, Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská, ČVUT v Praze. kamil.kolarik@ .cz Beránek Libor, Ing. Ph.D., Ústav technologie obrábění, projektování a metrologie, Fakulta strojní, ČVUT v Praze. libor.beranek@fs.cvut.cz V současné době probíhá ve společnosti První brněnská strojírna Velká Bíteš, a. s., která je významným českým producentem dekantačních odstředivek, ve spolupráci s Českým vysokým učením technickým v Praze vývoj nového typu dekantační odstředivky. Cílem je nejen zvýšení účinnosti odvodňování kalů a celkové snížení energetické náročnosti na provoz odstředivky, ale také zlepšení ekonomické efektivnosti výroby optimalizací technicko-organizačních podmínek. Problematika vývoje je řešena komplexně i z pohledu výzkumu technologických podmínek pro obrábění korozivzdorných ocelí s ohledem na integritu povrchu, zejména průběh zbytkových napětí v povrchových vrstvách po obrobení, neboť je prokázáno, že průběh zbytkových napětí významně ovlivňuje životnost součástí při dynamickém namáhání. V rámci tohoto výzkumu byla provedena rentgenografická difrakční analýza zbytkových napětí a fázového složení na površích zvolených zkušebních vzorků v závislosti na technologických podmínkách obrábění doplněná o studium dalších charakteristik integrity povrchu jako jsou analýza profilu drsnosti a parametry Barkhausenova šumu. Klíčová slova: dekantační odstředivka, integrita povrchu, zbytková napětí 1 Specifikace výzkumu Na základě současných trendů v oblasti ekologie čištění odpadních vod a průmyslových kalů dochází k nárůstu požadavků na spolehlivost a co nejnižší provozní náklady čistíren, jejichž klíčovým zařízením jsou dekantační odstředivky. To lze zajistit především výzkumem a vývojem v oblasti konstrukce, volbou nových materiálů a jejich opracováním. Se spolehlivostí strojního zařízení přímo souvisí i výzkum technologických podmínek pro obrábění s ohledem na průběh zbytkových napětí v povrchových vrstvách po obrobení pro zvýšení životnosti při dynamickém namáhání. V případě rotorů protiproudých dekantačních odstředivek je na povrchu maximální napětí od vnějších sil (vlivem odstředivé síly cca 4000 ot./min), přičemž možnost deformace zrn a pravděpodobnost výskytu vakantních míst je zde nejvyšší. Zbytková napětí se superponují s vloženými napětími a podle svého charakteru přispívají k prodloužení životnosti nebo ji naopak, významně snižují jak z hlediska dynamického namáhání, tak také z hlediska otěruvzdornosti a korozivzdornosti. Do konstrukce rotorů jsou z důvodů dosažení lepší otěruvzdornosti a životnosti nově zaváděny duplexní oceli, které jsou při obrábění náchylné k mechanickému zpevňování, a tím i k změnám mechanických vlastností vytvořené povrchové vrstvy. Mechanické zpevnění při soustružení může ve svém důsledku vést k tomu, že se povrch při obrábění bude chovat heterogenně [1]. Mezi heterogenní projevy patří zejména nestabilní vytváření třísek a vibrace. Tyto vibrace jsou společně s vysokými řeznými silami a vysokými teplotami odpovědné nejen za značné opotřebování obráběcích nástrojů a jejich zkrácenou životnost, ale také za vznik strukturních nehomogenit na vzniklém povrchu [2]. Nejčastěji jsou pozorovány lokální nehomogenity makroskopických i mikroskopických zbytkových napětí, případně i změny fázového složení způsobené společným vlivem vysokých teplot při soustružení a nižší teplotní vodivosti duplexních ocelí [3]. Změny makroskopických a mikroskopických zbytkových napětí lze také pozorovat pomocí analýzy Barkhausenova šumu (BŠ), která nebyla dosud pro tento druh ocelí systematicky prováděna. Nepříznivá tahová zbytková napětí intenzitu BŠ zvyšují a naopak tlaková zbytková napětí intenzitu BŠ snižují (obr. 1). Úroveň BŠ je definována magnetoelastickým parametrem mp (nespojitou magnetizací analyzované oblasti), který je ovlivněn dalšími doprovodnými efekty jako je míra zpevnění povrchu charakterizována např. mikrotvrdostí, která naopak hodnoty mp snižuje (viz obr. 2). Z tohoto důvodu byly analyzovány i další charakteristiky hysterezní smyčky, konkrétně Br, µ a Hc, které mají větší či menší senzitivitu na změny reálné struktury opracovaného povrchu, tj, zbytkové napětí versus mikrotvrdost (viz. obr. 3). Obr. 1 Vliv napětí na nárůst amplitudy mp. Obr. 2 Vliv mikrotvrdosti (reálná struktura a chemické 92

93 složení) na úroveň mp [4]. Fig. 2 Effect of microhardness (real structure and chemical composition) on the level of mp Fig. 1 Effect of stresses on mp amplitude increase. Obr. 3 Citlivost různých magnetických metod a parametrů na změnu napětí a struktury [5]. Fig. 3 Sensitivity of different magnetic methods and parameters to changes in the voltage and structure [5]. 2 Zkoumané vzorky a použitá technologie Za účelem nahrazení dosud používaných austenitických ocelí k výrobě komponent dekantačních odstředivek (obr. 4) byla ze širokého spektra ocelí zvolena duplexní austeniticko-feritická korozivzdorná Cr-Ni-Mo-N ocel na odlitky (1.4470; GX2CrNiMoN22-5-3), od níž je očekávána delší životnost dynamicky namáhaných částí díky její o 20 % vyšší odolnosti proti abrazi. Analyzované povrchy zkušebního tělesa (bubnu) odstředivky, jenž v provozu musí splnit podmínku minimální životnosti 30 tis. hodin při 4000 ot/min, byly obrobeny finální třískovou technologií soustružení. Obrábění analyzovaných ploch bylo provedeno za účelem posouzení: a) vlivu posuvu řezného nástroje při konstantní řezné rychlosti a hloubce řezu, b) vlivu řezné rychlosti při konstantním posuvu řezného nástroje a hloubce řezu na stav zbytkové napjatosti a dalších charakteristik integrity povrchu. Pracovní podmínky výroby analyzovaných ploch jsou uvedeny v Tab. 1. Obrobení ploch s jednotlivými posuvy řezného nástroje pro obě řezné rychlosti bylo vždy provedeno ve dvou replikacích. Rentgenografická měření a analýza BŠ pro hodnocení magnetoelastického parametru mp a dalších charakteristik hysterezní smyčky byla provedena na povrchu všech dvanácti stop označených Na každé stopě byla zvolena síť 3 bodů po 120 (1.1, 1.2, 1.3, 2.1, 2.2 až 12.3) viz obr. 5. Analyzované body byly měřeny jak ve směru posuvu nástroje A, tak ve směru kolmém tj. T. Obr. 4 Ukázka opotřebované části tělesa dekantační odstředivky, vyrobené z dosud využívané austenitické oceli po 30 tis. pracovních hodinách, při nichž měla tato část cca 4000 ot./min. Fig. 4 Example of worn part of decanter centrifuge housing made of austenitic steel after working hours (4000 rev./min). Tab. 1 Pracovní podmínky při soustružení zkušebního tělesa. Tab. 1 Machining conditions for turning the specimen. Stopa, viz obr. 5 Posuv f Řezná rychlost vc Ø tělesa bubnu (pořadí výroby) mm/ot. m/min mm 2 0, , , , , Otáčky n ot./min Hloubka řezu ap mm 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2

94 0, , , , , , , Detaily technologického zpracování lze vyžádat u Ing. Buchty (PBS Velká Bíteš, a.s.) ,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 ŠÍŘKA STOPY 15 mm X.3 A A-A 120 Ø 205 Ø 310 Ø X T A X A Obr. 5 Schématické zobrazení pořadí výroby (soustružení) jednotlivých stop a znázornění zvolených analyzovaných bodů s vyznačenými směry stanovení zbytkových napětí a magnetoleastických měření. Fig. 5 Schematic representation of production sequence (turning) of individual tracks and analyzed network of selected points representation marked with directions of residual stress determination and magneto elastic measurement 3 Aplikované analytické metody 3.1 Rentgenografická tenzometrická metoda sin²ψ Měření zbytkového napětí bylo prováděno pomocí ψ goniometru Xstress 3000 G2 firmy Stressech Oy se zářením rentgenky s chromovou anodou a cylindrickým kolimátorem o průměru 3 mm. Plocha ozářené oblasti činila cca 9 mm2. Byla analyzována difrakční linie {211} α-fe. Hodnoty zbytkových napětí byly vypočteny z mřížkových deformací stanovených z experimentálních závislostí 2θ(sin²ψ) za předpokladu dvojosého stavu zbytkové napjatosti (θ je difrakční úhel, ψ úhel mezi povrchem vzorku a difraktujícími mřížkovými rovinami). Závislosti 2θ211 (sin²ψ) byly měřeny ve dvou azimutech σa a σt. Difrakční úhel 2θ211 byl stanoven autokorelační metodou z difraktovaného dubletu CrKα na mřížkových rovinách {211} α-fe. Při výpočtu napětí byl použit makroskopický Youngův modul pružnosti 2,1 GPa a Poissonovo číslo 0,3. Experimentální chyba uvedená u jednotlivých naměřených hodnot je směrodatnou odchylkou dle algoritmu výpočtu zbytkových napětí metodou sin²ψ [6]. Veličiny WA, WT jsou průměrnou integrální šířkou difrakční linie {211} α-fe z měření σa a σt a reprezentují míru plastické deformace analyzovaných vzorků v daných směrech. Experimentální chyba jejich stanovení je směrodatnou odchylkou určenou algoritmem numerického zpracování difrakčních profilů [7]. 3.2 Magnetoelastická měření charakteristik hysterezní smyčky Vlastních měření bylo provedeno na magnetoelastickém analyzátoru MicroScan firmy Stresstech Oy umožňujícího kromě měření konvenčního magnetoleastického parametru mp, který odpovídá intenzitě BŠ (tzv. nespojité magnetizaci), analyzování dalších charakteristik hysterezní smyčky, např. koercitivní síly Hc, remanence Br a permeability µ. Při měření daných veličin byl použit standardní senzor S V rámci použité metody byl nastaven sinusový tvar magnetizačního signálu, magnetizační napětí 2 V a magnetizační frekvence 94

95 125 Hz. Získané výsledky z jednotlivých analyzovaných míst jsou průměrnou hodnotou z 10 měření. 3.3 Rentgenografická fázová analýza Pro získání difrakčních záznamů pro kvalitativní stanovení fázového složení byl použit θ-θ goniometr X Per PRO PANalytical s Co zářením, úhlovým rozsahem 40 2θ 130. Jednotlivé fáze byly identifikovány pomocí databáze PDF 2 [8]. Relativní váhové podíly přiřazených fází byly stanoveny pomocí Rietveldovy profilové analýzy [9], která byla provedena v programu X Pert HighScorePlus. 4 Výsledky experimentálního výzkumu Rozsáhlý počet měření, sledovaných variant pracovních podmínek a experimentálních metod studia stavu povrchové vrstvy překračuje publikační možnosti tohoto článku. Z tohoto hlediska byl autory zvolen určitý výběr, který umožňuje posoudit vliv posuvu nástroje a vliv rychlosti při soustružení duplexní ocelí. Průměrné hodnoty (3 body pro jednu stopu ve dvou replikacích pro posuv) makroskopických zbytkových napětí a šířky difrakční linie {211} α-fe (určené hodnotou šířky difrakčního profilu v polovině maximální intenzity) pro jednotlivé posuvy nástroje při dodržení konstantní řezné rychlosti hloubce řezu jsou graficky znázorněny na obr. 6 až 9. V tab. 2 a 3 jsou zaznamenány vybrané výsledné hodnoty (3 body pro jednu stopu ve dvou replikacích pro posuv) analýzy vlivu řezné rychlosti při konstantním posuvu nástroje a hloubce řezu. Výsledné průměrné hodnoty magnetoelastického parametru, remanence, permeability a koercitivní síly jsou pro jednotlivé posuvy nástroje pro řeznou rychlost 45 m/min graficky znázorněny na obr. 10 až 13. V tab. 5 až 7 jsou zaznamenány výsledné průměrné hodnoty analýzy vlivu řezné rychlosti při konstantním posuvu nástroje a hloubce řezu. Na obr. 14 jsou vyneseny difraktogramy s výsledky podílů fází α-fe a γ-fe pro všechny posuvy a řeznou rychlost 45 m/min řezná rychlost = 65 m/min posuv nástroje = 0.1, 0.2 a 0.3 mm/ot posuv = 0,1 posuv = 0,2 posuv = 0,3, MPa, MPa , MPa 700 řezná rychlost = 45 m/min posuv nástroje = 0.1, 0.2 a 0.3 mm/ot., MPa posuv = 0,1 posuv = 0,2 posuv = 0,3 mm/ot. mm/ot. Obr. 6 Průměrná makroskopická zbytková napětí <σa> a <σt> pro posuvy nástroje 0.1, 0.2 a 0.3 mm/ot. Řezná rychlost = 45 m/min. Fig. 6. The average macroscopic residual stresses <σa> and <σt> for tools feed 0.1, 0.2 a 0.3 mm/rev. Cutting speed = 45 m/min. Obr. 7 Průměrná makroskopická zbytková napětí <σa> a <σt> pro posuvy nástroje 0.1, 0.2 a 0.3 mm/ot. Řezná rychlost = 65 m/min. Fig. 7. The average macroscopic residual stresses <σa> and <σt>for tools feed 0.1, 0.2 a 0.3 mm/rev. Cutting speed = 65 m/min. 4,0 3,5 3,5 3,0 3,0 3,0 3,0 2,5 2,5 2,5 2,5 2,0 1,5 2,0 WA WT 1,5 2,0 1,5 řezná rychlost = 65 m/min posuv nástroje = 0.1, 0.2 a 0.3 mm/ot. 4,0 3,5 2,0 WA WT 1,5 1,0 1,0 1,0 1,0 0,5 0,5 0,5 0,5 0,0 0,0 0,0 posuv = 0,1 posuv = 0,2 posuv = 0,3 <W>, deg <W>, deg 3,5 <W>, deg 4,0 řezná rychlost = 45 m/min posuv nástroje = 0.1, 0.2 a 0.3 mm/ot. <W>, deg 4,0 0,0 posuv = 0,1 posuv = 0,2 posuv = 0,3 mm/ot. mm/ot. Obr. 8 Průměrné hodnoty šířky difrakční linie {211} αfe <WA> a <WT> pro posuvy nástroje 0.1, 0.2 a 0.3 Obr. 9 Průměrné hodnoty šířky difrakční linie {211} αfe <WA> a <WT> pro po-suvy nástroje 0.1, 0.2 a

96 mm/ot. Řezná rychlost = 45 m/min. Fig. 8 Average width of the {211} α-fe <WA> and <WT> tools feed 0.1, 0.2 a 0.3 mm/rev. Cutting speed = 45mm/min. mm/ot. Řezná rychlost = 65 m/min. Fig. 9 Average width of the {211} α-fe <WA> and <WT> tools feed 0.1, 0.2 a 0.3 mm/rev. Cutting speed = 65 m/min. Tab. 2 Výsledné hodnoty <σa>, <σt> a šířky <WA>, <WT> difrakční linie {211} α-fe pro posuv nástroje 0,1 mm/ot. Řezná rychlost = 45 a 65 m/min. Tab. 2 The resulting values <σa>, <σt> and width <WA>, <WT> of diffraction line {211} α-fe for tool feed 0.1 mm/rev. Cutting speed = 45 and 65 m / min. řezná rychlost, m/min < WA >, deg < WT >, deg <σa>, MPa <σt>, MPa , , , ,06 Tab. 3 Výsledné hodnoty <σa>, <σt> a šířky <WA>, <WT> difrakční linie {211} α-fe pro posuv nástroje 0,2 mm/ot. Řezná rychlost = 45 a 65 m/min. Tab. 3. The resulting values <σa>, <σt> and width <WA>, <WT> of diffraction line {211} α-fe for tool feed 0.2 mm/rev. Cutting speed = 45 and 65 m / min. řezná rychlost, m/min < WA >, deg < WT >, deg <σa>, MPa <σt>, MPa , , , ,14 Tab. 4 Výsledné hodnoty <σa>, <σt> a šířky <WA>, <WT> difrakční linie {211} α-fe pro posuv nástroje 0,3 mm/ot. Řezná rychlost = 45 a 65 m/min. Tab. 4 The resulting values <σa>, <σt> and width width <WA>, <WT> of diffraction line {211} α-fe for tool feed 0.3 mm/rev. Cutting speed = 45 and 65 m / min.. řezná rychlost, m/min < WA >, deg < WT >, deg <σa>, MPa <σt>, MPa , , , , mpa mpt řezná rychlost = 45 m/min posuv nástroje = 0.1, 0.2 a 0.3 mm/ot BRA 400 BRT posuv = 0,1 posuv = 0,2 posuv = 0,1 posuv = 0,3 posuv = 0,2 posuv = 0,3 mm/ot. mm/ot. Obr. 10 Výsledné hodnoty magnetoelastického parametru <mpa> a < mpt> pro posuvy nástroje 0.1, 0.2 a 0.3 mm/ot. a řeznou rychlost 45 m/min. Fig. 10 The resulting values for magnetoelastic parameter <mpa> and <mpt> for the tool feed 0.1, 0.2 and 0.3 mm / rev. and cutting speed 45 m/min BR mp BR 300 řezná rychlost = 45 m/min posuv nástroje = 0.1, 0.2 a 0.3 mm/ot. mp 350 Obr. 11 Výsledné hodnoty remanence <BrA> a <BrT> pro posuvy 0.1, 0.2 a 0.3 mm/ot. Řezná rychlost = 65 m/min. Fig. 11 The resulting remanence values <BrA> a <BrT> for the tool feed 0.1, 0.2 and 0.3 mm / rev. and cutting speed 45 m/min. 96

97 Hm ,20 0, HC, A/m 6000 řezná rychlost = 45 m/min posuv nástroje = 0.1, 0.2 a 0.3 mm/ot. Hm posuv = 0,1 posuv = 0,2 řezná rychlost = 45 m/min posuv nástroje = 0.1, 0.2 a 0.3 mm/ot. 0,16 0,14 0,14 0,12 0,12 0,10 0,10 0,08 0,08 0,06 0,06 0,04 0,04 0,02 0,02 0,00 posuv = 0,1 mm/ot. 0,18 0,16 0,00 posuv = 0,3 0,20 HcA HcT HC, A/m posuv = 0,2 posuv = 0,3 mm/ot. Obr. 12 Výsledná permeabilita <µa> a <µt> pro posuvy nástroje 0.1, 0.2 a 0.3 mm/ot. a řeznou rychlost 45 m/min. Fig. 12 The resulting permeability <µa> a <µt> for the tool feed 0.1, 0.2 and 0.3 mm / rev. and cutting speed 45 m / min. Obr. 13 Výsledná koercitivní síla <HcA> a <HcT> pro posuvy nástroje 0.1, 0.2 a 0.3 mm/ot. a řeznou rychlost 45 m/min. Fig. 13 The resulting coercive force <HcA> a <HcT> for the tool feed 0.1, 0.2 and 0.3 mm / rev. and cutting speed 45 m / min. Tab. 5 Výsledné hodnoty <mpa> a < mpt>, <BrA> a <BrT>, T dále <µa> a <µt>, Hm-1 a <HcA> a <HcT>, A/m pro posuv nástroje 0,1 mm/ot. a řeznou rychlost 45 a 65 m/min. Tab. 5 Resulting values <mpa> a < mpt>, <BrA> a <BrT>, T also <µa> and <µt>, Hm-1 and <HcA> and <HcT>, A/m for the tool feed 0.1mm/rev. and cutting speed 45and 65 m/min. vc <mpa> < mpt> <BrA> <BrT> <µa> <µt> <HcA> <HcT> ,162 0, ,167 0,125 Tab. 6 Výsledné hodnoty <mpa> a < mpt>, <BrA> a <BrT>, T dále <µa> a <µt>, Hm-1 a <HcA> a <HcT>, A/m pro posuv nástroje 0,2 mm/ot. a řeznou rychlost 45 a 65 m/min. Tab. 6 Resulting values <<mpa> and < mpt>, <BrA> and <BrT>, T also <µa> a <µt>, Hm-1 and <HcA>, <HcT>, A/m for the tool feed 0.2 mm/rev. and cutting speed 45and 65 m/min. vc <mpa> < mpt> <BrA> <BrT> <µa> <µt> <HcA> <HcT> ,171 0, ,171 0,129 Tab. 7 Výsledné hodnoty <mpa> a < mpt>, <BrA> a <BrT>, T dále <µa> a <µt>, Hm-1 a <HcA> a <HcT>, A/m pro posuv nástroje 0,3 mm/ot. a řeznou rychlost 45 a 65 m/min. Tab. 7 Resulting values <mpa> and < mpt>, <BrA> and <BrT>, T also <µa> a <µt>, Hm-1 and <HcA>, <HcT>, A/m for the tool feed 0.3 mm/rev. and cutting speed 45and 65 m/min. vc <mpa> < mpt> <BrA> <BrT> <µa> <µt> <HcA> <HcT> ,167 0, ,171 0,144 97

98 Intensity (counts) řezná rychlost = 65m/min posuv nástroje = 0.1, 0,2 a 0,3 mm/ot ; Fe - α 222; Fe - γ 113; Fe - γ 112; Fe - α 022; Fe - γ 002; Fe - α ; Fe - γ ; Fe - α 111; Fe - γ f = 0,1 mm/ot.: Fe α - 59 %, Fe γ - 41 % f = 0,2 mm/ot.: Fe α - 57 %, Fe γ - 43 % f = 0,3 mm/ot.: Fe α - 53 %, Fe γ - 47 % Theta ( ) Obr. 14 Difrakční záznamy z analyzovaných ploch (místa 10.1, 7.1, 9.1) obrobených posuvy nástroje 0.1, 0.2 a 0.3 mm/ot. Řezná rychlost = 45 m/min. Difraktogramy pro posuv 0.1 a 0.2 mm/ot. jsou vynásobeny škálovacími parametry ŠPi (ŠP0,1 = 0,87, ŠP0,2 = 0,77). Fir. 14 X-ray patterns of the surface areas (sites 10.1, 7.1, 9.1) machined by tool feed 0.1, 0.2 and 0.3 mm / rev. Cutting speed = 45 m / min. X-ray patterns for tool feed 0.1 and 0.2 mm / rev. are multiplied by the scaling parameters ŠPi (ŠP0,1 = 0,87, ŠP0,2 = 0,77). 5 Diskuze Zbytková napětí po technologickém opracování soustružení jsou výsledkem níže uvedených příčin [10], nejčastěji ovšem jejich společným působením. Při oddělování třísky dochází v oblasti zóny řezání k intenzivní plastické deformaci. Tato pružně-plastická deformace zasahuje i pod obrobený povrch. Navíc zde působí i pěchování obrobené vrstvy způsobené tím, že břit není ideálně ostrý a část nastavené hloubky se neodřízne (specificky pro případ této studie: také tím, že posuv nástroje 0,1 mm/ot. je malý, dochází taktéž k pěchování třísky). Z fyzikálního hlediska lze vysvětlit vznik zbytkových napětí např. tím, že při plastické deformaci kovu klesá jeho hustota a roste měrný objem [10]. Je zřejmé, že při zvýšení měrného objemu v povrchové vrstvě vznikne tlakové napětí. Při obrábění houževnatých a plastických kovů a slitin, kdy Rm/RP0,2 > 1,25 (pro zde analyzovaný materiál je Rm/RP0,2 od 1,43 do 1,90) vzniká plynulá tříska a spojení mezi třískou a obráběným materiálem se nenarušuje. Dochází k deformaci zrn základního materiálu v důsledku jejich vazby s materiálem třísky, zrna (u obrobeného povrchu) se deformují přibližně ve směru odchodu třísky. Může dojít k reorientaci zrn povrchových vrstev (protažení ve směru kolmém na obrobený povrch a stlačení ve směru rovnoběžném s povrchem). Povrchová vrstva se v důsledku toho snaží zaujmout menší povrch, a protože spodní vrstvy zůstávají beze změny, vzniká tahové zbytkové napětí. Podle modelu sestaveného pro popis deformačních jevů při kontaktních tlacích válce a elasticko-plastické roviny se předpokládá, že při obrábění plastických materiálů vzniká při velkém zatížení břitu zbytkové napětí tahové, při menším zatížení slabších vrstev napětí tlakové. Toto tvrzení je v korelaci s naměřenými výsledky, kdy vyšší posuvy vedou k většímu zatížení břitu (tento efekt je způsoben rychlým zpevňováním austenitické složky [7] v důsledku mechanického zpracování za studena) a vznikají vyšší tahová zbytková napětí a z analýzy difrakčního profilu vyplývá vyšší míra plastické deformace (viz obr. 6 až 9). Při vzniku vyšších teplot v povrchové vrstvě vzniká tahové zbytkové napětí. 6 Závěry 6.1 Rentgenografická tenzometrická analýza Provedená rtg difrakční tenzometrická analýza i přes nehomogenní charakter analyzované difrakční linie {211} α-fe, jenž je způsoben texturou, umožňuje posoudit do určité míry: 98

99 6.1.1 Vliv nehomogenit Při mapování povrchu (místa 1.1, 1.2, 1.3 až 12.3) byla na několika místech zjištěna příznivá tlaková zbytková napětí ve směru posuvu nástroje σa, a to vždy v oblastech obrobených nejnižším posuvem obráběcího nástroje 0,1 mm/ot. Toto zjištění je v souladu s publikovanými studiemi o vlivu posuvu při soustružení na zbytková napětí [5]. Absolutní hodnoty zbytkových napětí jsou ve všech analyzovaných místech, mimo jeden případ, vždy nižší ve směru posuvu nástroje tj. σt > σa. Tento efekt je způsoben mechanickou interakcí břitu řezného nástroje s materiálem, kdy dochází vlivem hlavního řezného pohybu rotací (směr σt), jenž koná obrobek, k natahování podpovrchových oblastí Vliv posuvu Se vzrůstajícím posuvem se zvyšují velikosti výsledných zbytkových napětí a roste šířka difrakční linie, jak ve směru axiálním tak i ve směru tangenciálním (mimo f = 0,3 mm/ot. pro σt což je v korelaci s výsledky šířky difrakční linie pro tento směr, viz. obr 8), kdy u vc = 65 m/min je viditelný větší gradient (obr. 7). Změny posuvu se projevují více ve směru axiálním než ve směru tangenciálním. Se zvyšujícím se posuvem řezného nástroje dochází k tzv. homogenizaci zbytkových napětí tj. snížením poměru σa ku σt Vliv řezné rychlosti Vyšší řezná rychlost vede ve všech případech ke snížení zbytkových napětí a zvýšení míry plastické deformace (roste šířka difrakční linie) v axiálním směru (tab. 2 5). Ve směru tangenciálním vede zvýšení řezné rychlosti k nárůstu tahové zbytkové napjatosti i šířky difrakční linie (mimo f = 0,1mm/ot.). Snížení zbytkové napjatosti ve směru axiálním u vyšší řezné rychlosti je způsobeno poměrem f/vc, kdy je hodnota poměru pro vyšší řeznou rychlost vždy nižší. Tento efekt je samozřejmě doprovázen redistribucí řezných sil, která je také ovlivněna již dříve zmiňovaným posuvem nástroje, kdy pro vyšší posuvy a řezné rychlosti dochází v důsledku silového zatížení k nárůstu tahového zbytkového napětí ve směru tangenciálním. Z tab. 2 až 5 je tento efekt dobře pozorovatelný, kdy u povrchů obrobených posuvem 0,1 mm/ot. je σt45 > σt65. Oblasti obrobené posuvem 0,2 mm/ot. vykazují σt45 σt65. Na plochách obrobených posuvem 0,3 mm/ot. je již napětí ve směru tangenciálním pro vyšší řeznou rychlost znatelně vyšší tj. σt45 < σt Magnetoelastická měření charakteristik hysterezní smyčky Vliv nehomogenit Z výsledků mapování povrchů (místa 1.1, 1.2, 1.3 až 12.3) byly u všech analyzovaných parametrů (mp, Br, µ a Hc) detekovány výrazné místní nehomogenity v obou studovaných směrech. Ve všech případech jsou hodnoty mp více než 2,5krát vyšší ve směru tangenciálním než ve směru axiálním (viz obr 10). Tento fakt, jenž je v souladu s teoretickým předpokladem, byl také potvrzen rentgenografickou tenzometrickou analýzou (obr. 6 a 7). Vyšší tahové napětí ve směru tangenciálním umožňuje snazší pohyb Weissových domén, a tím i Blochových stěn ve směru magnetizace a tím zvyšují úroveň mp. Další parametry získané z magnetoelastických měření hysterezní smyčky, konkrétně Br a µ, vykazují také více než 2,5x vyšší hodnoty ve směru tangenciálním ve srovnání se směrem posuvu řezného nástroje (viz obr. 11 a 12). Koercitivní síla Hc (veličina charakterizující odolnost proti změně magnetizace dané látky) jako jediná vykazuje o cca 30 % nižší hodnoty ve směru tangenciálním oproti směru axiálnímu, tj. HcT > HcA (obr. 13) Vliv posuvu Se vzrůstajícím posuvem se zvyšuje úroveň mp, Br a µ, jak ve směru axiálním tak i ve směru tangenciálním (viz obr. 10, 11 a 12). U řezné rychlosti 45 m/min je vzrůst monotónní a hodnoty parametrů mp, Br a µ jsou pro posuv 0,3 mm/ot. nejvyšší. U řezné rychlosti 65 m/min byly nejvyšší hodnoty u mp, Br a µ zjištěny u posuvu 0,2 mm/ot. 99

100 Koercitivní síla Hc jako jediný parametr nevykazuje u řezné rychlosti 45 m/min monotónní nárůst. Její maximum je pro oba analyzované směry pozorováno u posuvu 0,2 mm/ot (obr. 13). U řezné rychlosti 65 m/min je naopak u Hc pozorován monotónní nárůst se vzrůstajícím posuvem obráběcího nástroje Vliv řezné rychlosti Vyšší řezná rychlost vede ve všech případech ke snížení hodnot mp, Br a µ, jak v axiálním tak i v tangenciálním směru (tab. 5, 6 a 7). Hodnoty koercitivní síly Hc se jako jediné s nárůstem řezné rychlosti z 45 m/min na 65 m/min zvyšují v obou analyzovaných směrech (mimo f = 0,2 mm/ot. pro HcT). 6.3 Rentgenografická kvalitativní fázová analýza Na analyzovaných řezných plochách, v souladu s teoretickým předpokladem, byly detekovány a identifikovány dvě krystalické fáze; α-fe - ferit (s prostorovou grupou Im3m) a γ-fe - austenit (s prostorovou grupou Fm3m). Posuv nástroje a změna řezné rychlosti nemá významný vliv (s ohledem na chybu Rietveldovské profilové analýzy, jenž činní v tomto případě cca 10%) na kvantitativní zastoupení jednotlivých fází (obr. 14). Poděkování Tento výzkum byl podpořen projektem MPO FR TI3/711 Výzkum a vývoj konstrukce a technologie výroby systému na čištění komunálních a průmyslových kalů na odstředivém principu. Literatura [1] JANG, D.Y.; WATKINS, T. R.; KOZACZEK, K.J.; HUBBARD, C. R. and CAVIN, O. B. Surface residual stresses in machined austenitic stainless steel, Wear 194 (1996) [2] SAOUBI, R. M.; OUETRO, J. C.; CHANGEUX, B. J.; LEBRUN, L. A.; MORAO, D. Residual stress analysis in orthodonal machining of standard and resulfurized AISI 316L steel, J. Mat. Proc. Techn. 96 (1999) [3] BORDINASSI, É. C.; ALMEIDA FILHO, C. O. C.; DELIJAICOV, S.; BATALHA, G. F.; STIPKOVIC FILHO, M. Study of the surface integrity in a super duplex stainless steel after turning. In: 4 Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação, 2007, Estância de São Pedro. Anais do 4 Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação, p [4] ABUKU, S.; CULLITY, R.D. A Magnetic Method for the Determination of Residual Stress, Exp. Mech. 11, 1971 [5] WITHERS, P. J. and BHANDHESIA, H. K., Residual stress part 1, Materials Science and Technology, 14(4), pp (2001). ISSN [6] [7] KRAUS, I.; GANEV, N. Technické aplikace difrakční analýzy, Vydavatelství ČVUT, Praha [8] ICDD, Power Difraction File Sets 1 45, Neston Square Corporated Campus, Pensnnylvania, [9] HILL, R. J. and HOWARD, C. J.: A computer program for Rietveld analysis of fixed wavelength X ray and neutron diffraction patterns, Australian. [10] NECKÁŘ, F.; KVASNIČKA, I. Vybrané statě z úběru materiálu, Vydavatelství ČVUT, Praha Abstract Article: The surface integrity of dynamically loaded components of decanter centrifuge Authors: Kolarik Kamil, Ing. Ph.D. Beranek Libor, Ing. Ph.D. Nikolaj Ganev, prof. Ing. CSc. Workplace: Faculty of Mechanical Engineering, Czech Technical University in Prague Faculty of Nuclear Sciences and Physical Engineering, Czech Technical University in Prague Keywords: decanter centrifuge, surface integrity, residual stress První brněnská strojírna Velká Bíteš, a. s. as an important Czech producer of decanting centrifuges is developing a new type of decanter centrifuge, in cooperation with the Czech Technical University in Prague. The aim 100

101 is not only to increase the effectiveness of dewatering and overall reduction of energy consumption for the operation of the centrifuge, but also to improve economic efficiency by optimizing the production of technical and organizational conditions. The issue of development is dealt comprehensively also from the perspective of research and technological conditions for machining stainless steels with regard to the integrity of the surface, in particular course of residual stress in the surface layers after machining, as it is proven that the process of machining significantly affects the residual stress component life under dynamic loads. In the year 2011 the research was carried out X-ray diffraction analysis of residual stress and phase composition on the surfaces of selected specimens, depending on the technological cutting conditions coupled with further study of surface integrity characteristics such as analysis of roughness profile parameters and parameters of Barkhausen noise. 101

102 Experimental Verification of FEM Simulation of GMAW Welding Kovanda Karel*, Holub Lukáš*, Kolařík Ladislav*, Kolaříková Marie*, Vondrouš Petr* *Czech Technical University in Prague, Faculty of Mechanical Engineering, Prague 6, , The research focuses on verification of FEM simulation with experimental GMAW welds. In program Visual Environment simple FEM simulation of GMAW welding on Al alloy EN AW 7022 was created and these simulation data were compared with measured experimental data. To create good FEM model setting of heat source and material parameters are of great importance. To set parameters of heat source measurement of welding parameters, metallographic cut, weld bead and crater was experimentally done. During experiment, temperature was measured by several thermocouples and measured temperature was compared with simulation data. The difference of measured and simulated data was at maximum only 10 C and we can conclude that this result is very good. Simulations that obtain results close to reality are very useful for designing welded constructions. Designing from using precipitation hardenable Al alloys, e.g. series 7xxx, materials prone to softening, when welded, can be thus made easier and safer using simulation software. Keywords: simulation, GMAW welding, Visual Environment, Al alloy, Introduction Use of FEM simulations is very useful for solving engineering assignments, but the conformity of simulation results with reality can be problematic for difficult assignments. One of problematic assignments to simulate is welding, because of its complexity. At the Educational Laboratory of Welding Technologies of CTU experiment comparing results of FEM simulation and real welding experiment was done. Comparison of FEM simulation and welding experiment was done on basis of temperature measurements by thermocouples placed at welded sample. Our main aim was to simulate rightly size of HAZ, because sharp declination of mechanical properties ( softening ) occurs for 7xxx Al alloys at temperatures over 200 C [3,8]. 2. Visual Environment FEM Simulation Program Program for Finite Element Method (FEM) simulation is developed mainly for welding and heat treatment of metals. During welding and heat treatment operations heat input into the materials is causing many difficult phenomena, e.g. thermal expansion, thermal tensions, stresses, phase transformations. The real mathematical description of the welding is complex and this program is equipped with necessary equations, database of mechanical and phase properties depending on temperature. Visual Environment can simulate temperature fields, metallographic structure, deformations, and thermal stresses. It is applicable for all welding processes, e.g. arc welding, electron, laser beam welding, and resistance spot welding, but mathematical description of heat source must correspond to specific welding method. Welding process can be described by non-stationary analysis. Visual Environment takes in account all important physical and thermal processes of welding. Thermo-mechanical analysis and non-linear material behavior is fully solved, e.g. heat transfer, material properties, hardening of material, plasticity, geometric nonlinearity [1]. All important material properties necessary for welding simulation are temperature and phase dependent and advantage of this program is wide database of materials and their properties. Data of thermal fields, heating and cooling speed, material phases, hardness, residual stresses and deformations can be obtained as results from simulation at any place of weld joint at any time. By Visual Environment can be studied multi-layer welds, what makes it feasible to simulate big welded structures [2]. 3. Aluminium alloy EN AW 7022 As base material precipitation hardenable Al alloy EN AW 7022 (AlZn5Mg3Cu - ČSN EN 573-1) was used. Chemical composition is stated in table 1. Heat treatment of material is T651 (according to EN515), during which hardening precipitates MgZn2 and Al2Mg3Zn3 are created and improve mechanical properies significantly [3, 6, 10]. This alloy has specific precipitation, because it occurs even at room temperatures. 102

103 This alloy is often used in aircrafts, bicycle, motorbike frames, light constructions, plastic molds and so on. In special applications it is applied for military bridge, spacecraft tanks, wherever its high strength and low density is advategeous. One of the big disadvatages is sharp decline of mechanical properties (softening), when temperatures are above 200 C, so welding as heat input causes decrease of strength [5, 8, 9]. So during welding these alloys loose mechanical properties by dissolution of precipitates. However gradually by spontaneous precipitation at the room temperature material regains its original properties, but spontaneous precipitation at room temperature can last long unfortunately up to 1-3 months. Tab. 1 Chemické složení (%) slitiny 7022 Table 1 Chemical composition (wt. %) of the 7022 alloy [4] EN AW 7022 T651 [AlZn5Mg3Cu] acc. to EN Zn Mg Si Fe Mn Cu Cr Ti+Zr 4,3 5,2 2,6 3,7 0,5 0,5 0,1-0,4 0,5-1,0 0,3 0,2 4. Experiment Gas Metal Arc Welding (GMAW) was used for bead on plate welding. GMAW is arc welding in gas shielding of pure argon (Ar 99,996%) with flow 14 l.min-1 was used. Plates of dimensions 190 x 95 mm and 6 mm thickness were used. As filler wire AlMg5Cr of 1.2 mm was used, company denomination is ESAB OK Autrod 5356 [5, 7]. 1 mm Obr. 1a) Umístění termočlánků na vzorku Obr. 1b) Metalografický vzorek, zvětšeno 25x Fig. 1a) Positioning of thermocouples on the welded sample Fig. 1b) Metallographic cut, Mag. 25x Using Welding Information System (WIS), special equipment for measuring welding parameters and temperatures, we have measured temperatures of weld sample by 6 thermocouples placed on the welded sample. Thermocouples K type (NiCr-Ni) suitable for measuring temperature range from -40 to 1000 C. Thermocouples were placed 70 mm from the weld start, where welding is already stable. Thermocouples are placed symmetrically with the weld axis, 3 on the left, 3 on the right as shown at the figure 1a. Four experimental welds were done with the temperature measurement. 5. Setting of the simulation For creation of realistic welding simulation two basic steps are necessary: creation of model and setting heat input source. Creation of model is done in this sequence: a) creation of 2D model in curves b) meshing of 2D model c) creation of 3D mesh d) trajectory of heat source this trajectory was modeled same as the real weld, trajectory touching 3D mesh. Very important for simulation is to properly set heat source. This will define heat input into the weld per certain time. It is directly proportional to welding current and voltage, indirectly proportional to welding speed. 103

104 For GMAW welding the best suitable heat source model is Goldak s double ellipsoidal model. The first ellipse characterize weld pool width and length and the second the weld penetration, as on figure 2. Obr. 2 Goldakův model tepelného zdroje Fig. 2 Goldak`s heat source model [2] To define Goldak`s model heat source trial weld was done with welding parameters measured by WIS and metallographic cut was done. Cut was done at 55 mm distance from the weld beginning to assure stabilized welding. On the metallographic cut penetration depth 1,4 mm (heat source parameter b), weld width 5 mm (heat source parameter a)was measured. Weld pool length was measured from the weld crater 5,5 mm (heat source parameter c). Current, voltage, speed and ellipse parameters used for Goldak`s model are stated in table 2. Heat input per unit length 248 J.mm-1 was calculated with arc efficiency 0,8. Mesh was created, heat source modeled, material characteristic for Al alloy were selected from the material database and simulation was done. Tab. 2 Parametry svařování a tepelného zdroje Tab. 2 Welding parameters used for setting heat source parameters Welding current [A] Voltage [V] Welding speed [mm.min-1] Heat input [J.mm-1] Wire speed [m.min-1] , ,0 Parameters for Goldak model ellipse parameters [mm] ar=1,5; af=4; b=1,4; c=5 6. Experimental results Results of simulations compared with experimental temperature measurement are shown at the table 3, where average measured temperatures from 4 weld samples and symmetrically placed thermocouples (from left and right side) are stated. Temperature measured 10 mm from the weld axis is 258 C, from simulation at this place we get 268 C. The difference of measured and simulated result is only 10 C. The difference of measured and simulated results can be caused by 2 main factors. First is methodology of temperature measurement. By use of encapsulated thermocouples that are voluminous ( 3 mm in diameter) and need to be placed in hole in the sample, so their precise positioning is problematic. Second source of aberration is depending on simulation setting, mesh parameters. We have found out that results depend significantly on size of element in created 3D mesh. For different mesh can be different results. Tab. 3 Teploty získané experimentálním měřením a simulací Tab. 3 Comparison of temperatures from experimentaly measured and from simulation Measured position /Thermocouple no. 10 mm from the weld axis/ mm from the weld axis/ mm from the weld axis/3 + 6 Average measured temperatures [ C] Temperatures from the simulation[ C] Difference between measured and simulated temperature [ C]

105 At the figure 3 results from FEM analysis are shown. These figures with isotherms show thermal cycle of welding, areas of the weld joint with respective temperatures. 2 mm Obr. 3 Teplotní cyklus ze simulačního programu Visual Environment Fig. 3 Perpendicular cut and isometric view with isotherms as simulated by Visual Environment As stated before, for alloys 7xxx critical temperature is 200 C and crossing it causes softening, so size of heat affected zone is considered important. When we measured width of softened zone (zone of over 200 C) using hardness measurement on the welded sample, it was 25 mm wide. From simulated data, at figure 3, this 200 C zone was measured to be 28 mm wide. Accordance of the results is very good. 7. Conclusion Temperatures measured by thermocouples during welding at position 10 mm from the weld axis compared with the results of simulation show difference of only 10 C (experimentally measured 258 C, simulated 268 C). Width of HAZ ( softened area over 200 C) measured at metallographic cut was 25 mm and from the simulation we found it to be 28 mm. Difference of only 3 mm. We consider these results as remarkable accordance of simulation and experimental welds. Welding simulations are depending on many complex input data and our aim of this research was to verify credibility of welding simulations using Visual Environment FEM software. It can be concluded that simulation software gives data with good accuracy. Its results can be used for prediction of size of HAZ, areas over critical temperatures, which are data very useful for designers and technologists that work with welding. Our experiment was using only bead on plate welds and currently the more complex experiments involving double sided butt GMAW welds and their simulation are researched. Acknowledgement Research was supported by grants SGS ČVUT 2010 č. OHK 2-038/10 and FRVŠ G1 611/ Literature [1] [2] [3] [4] [5] [6] TEJC, J.: Možnosti využití počítačové simulace svařování v průmyslové praxi, Konstrukce, 5/2007, 2007, ISSN MEŠKO, J., FABIAN, P., HOPKO, A., KOŇAR, R.: Shape of heat source in simulation program SYSWELD using different types of gases and welding methods. Strojírenská technologie XVI, 5/2011, 2011, ISSN MA, T.; OUDEN, G.: Softening behavior of Al-Zn-Mg alloys due to welding, Materials science and engineering A 266, 1998 Elsevier, p FURBACHER, I.; MACEK, K.; SEIDL, J. a kolektiv: Lexikon technických materiálů, svazek 4., Praha: Verlag Dashöfer, 2001 KOLAŘÍK, L., KOVANDA, K., VÁLOVÁ, M., DUNOVSKÝ, J.: Posouzení vlivu přídavného materiálu na pórovitost svarových spojů při MIG svařování vytvrditelných hliníkových slitin typu AlMgSi. Strojírenská technologie XVI, 1/2011, 2011, ISSN KOLÁŘ, V.: Svařování hliníku, Podklady pro kurz IWE, ČVUT, 2009, 66 s. 105

106 [7] [8] [9] [10] ESAB [online] [cit ]. Svařování a pálení. Dostupné WWW: < KOVANDA, K.: Studium precipitačních procesů ve svarovém kovu a tepelně ovlivněné oblasti u vybraných hliníkových slitin, Kritická literární rešerše, ČVUT v Praze, FS, 2011, 17 s. KOLAŘÍK, L.: Svařitelnost neželezných kovů Vliv svařování na vytvrditelné slitiny hliníku typu AlMgSi. Disertační práce, ČVUT v Praze, FS, 2011, 185 s. ORSZÁGH, P., ORSZÁGH, V.: Zváranie MIG/MAG ocelí a neželezných kovov, Bratislava: Polygrafia SAV, s. Abstrakt Název článku: Praktické ověření počítačové simulace svařování při GMAW navařování Autoři: Kovanda Karel, Ing. Holub Lukáš, Ing. Kolařík Ladislav, Ing. Kolaříková Marie, Ing. Vondrouš Petr, Ing. Pracoviště: Fakulta strojní, ČVUT v Praze Klíčová slova: simulace, Visual Environment, GMAW, svařování, teplotní pole, slitina EN AW 7022 Příspěvek se zabývá ověřením výsledků simulace svařování s reálně vytvořenými vzorky. Pro navařování hliníkové slitiny EN AW 7022 byla vymodelována jednoduchá úloha pomocí programu Visual Environment. Důležitou roli v simulaci hraje nastavení zdroje tepla, který charakterizuje elektrický oblouk a svarovou lázeň. Jako vstupní data pro toto nastavení se použily geometrické rozměry návaru z metalografického výbrusu a koncového kráteru, dále fyzikální vlastnosti základního a přídavného materiálu. Ověření platnosti simulace bylo provedeno srovnáním teplot pomocí termočlánků, kde výsledný rozdíl v teplotách byl 10 C. Přínos těchto simulací při navařování a svařování hliníkových slitin řady 7xxx je v tom, že dokážeme určit šířku tepelně ovlivněné oblasti, hranici kde dojde k překročení kritické teploty nad 200 C, kdy dochází k prudkému poklesu mechanických vlastností. Tato problematika byla jedním z hlavních důvodů pro simulaci. Tyto informace jsou důležité pro konstruktéry, kteří navrhují svařované konstrukce. Data získaná ve výše zmíněném experimentu se dají využít při řešení problematiky svařitelnosti hliníkových slitin. Numerické analýzy svařovacích procesů jsou velmi náročné na množství a přesnosti vstupních hodnot. Podávají však cenné informace o šířce tepelně ovlivněné oblasti a kritických hodnotách teplot, bez kterých se neobejdou konstruktéři navrhující svarové spoje. Experiment byl pouze aplikován na oblast návarů, dále budou provedeny experimenty pro samotné svařování tupých spojů. 106

107 Optimální skladovaní materiálu pro co nejvyšší možnou výtěžnost Krajčovičová Mária Ing., PhD., Katedra drevárskych strojov a zariadení, Fakulta environmentálnej a výrobnej techniky, Technická univerzita vo Zvolene Článek se věnuje problematice správného nastavení procesu výroby při prvním zpracovávání kulatiny. Přičemž je v něm poukázáno na to, jaké je důležité nastavit proces optimálně už ve skladě před samotnou výrobou. Taktéž i to jak takto nastavená uspořádáni zařazení kulatiny ovlivní výtěžnost a aj ekonomický výsledek celého procesu. Výsledky, které jsou v něm prezentované, je možné aplikovat při nastavení požadovaných vstupných podmínek na každý výrobní proces. V příspěvku je uvedený příklad jedné také aplikace. Klíčová slova: optimalizace, manipulace s materiálem, výrobní proces, matematické metody 1 Úvod Každá výroba má hlavní cíl a tím je co nejvyšší možný zisk. Dosažení pozitivních ekonomických výsledků si ale vyžaduje správně nastavit výrobní proces, jako i procesy, které ho ovlivňují. Mimo jiné nesmíme zapomenout, že trh, na kterém taký výrobní podnik vystupuje, se rozvíjí a klade stále nové a nové požadavky na kvalitu, jako i nový sortiment nabízených výrobků. Další překážkou stojící na cestě k úspěchu je konkurence. Proto snahu o udržení se na trhu a nabití nových zákazníků je z času na čas potřebné řešit modernizací provozovny nebo alespoň některých jejich častí. Šancí na úspěch má jenom ten podnik, který se dokáže pružně přizpůsobit trhu a jeho požadavkům. V každém případě je potřebné si takový krok dobře promyslet a dobře připravit, protože zanedbáním některé důležité části, by mohlo dojít nejspíš ke ztrátám jako k zisku, čím bychom mohli v konečném důsledku přivést podnik do krachu a ne podpořit jeho rozvoj. Základem také modernizace je zhodnotit stav a finanční možnosti investice do modernizace. Druhou zásadou je potřeba důsledně přehodnotit prostorové možnosti. Zásadou číslo tři je vypracování kvalitního návrhu, podloženého dostatečným počtem faktů, přičemž musíme vycházet z už jmenovaných prostorových dispozicí jako i strojového vybavení provozu. Jestliže navrhneme super moderní a výkonný uzel, ale ten nebude možné zapracovat do technologie, je tento projekt nepoužitelný. Skloubení všech jmenovaných zásad si vyžaduje nejen dobře vypracovaný projekt, ale také šikovných lidí, kteří ho dokážou zrealizovat. 2 Optimalizace procesu výroby v části uskladnení kulatiny před procesem řezání Uskladnění kulatiny je moc důležitou součástí celého procesu zpracování dřevní hmoty. Při řešení optimalizace materiálového toku se vycházelo z poznatků konkrétních pilnic a jejich skladovacích možností jako i známých matematických vztahů. Jestli chceme znát jak správně kulatinu roztřídit, je nutno znát jaký vplyv má na samotnou výtěžnost. Zvolený postup pro výpočet výtěžnosti 1. Určení průměru kulatiny na užším konci ze vztahu, 2. stanovení počtu řeziva z (rozměrově) dané konkrétní kulatiny určitého průměru, 3. vyjádření celkového objemu jednoho kmene kulatiny, 4. vyjádření čistého objemu řeziva z jednoho kmene kulatiny. 5. výpočet výtěžnosti středového řeziva. Určení průměru kulatiny na užším konci ze vztahu: φd = 2.v [ m ] 107 (2.1)

108 Kde: d průměru kulatiny na užším konci [ m ] v výška prizmy [ m ] Stanovení počtu řeziva z (rozměrově) dané konkrétní kulatiny určitého průměru: 2 φd min v2 = a2 [ m ] k= Kde: (2.2) a [ ks ] h+4 (2.3) dmin - průměru kulatiny na užším konci [ m ] v výška prizmy [ m ] a - hodnota šířky prizmy vyplývající z pravoúhlého trojúhelníka [ m ] h tloušťka řeziva [ m ] 4 číslo vyjadřující šířku zubové mezery k počet řeziva z hmoty jednoho výřezu [ ks ] Vyjádření celkového objemu jednoho kmene kulatiny: 2.π φd str 4 Kde:.l = V1 [ m3 ] (2.4) dstr střední průměru kulatiny stanovený na základě jej minimálního průměru a délky. [ m ] π Ludolfovo číslo [ 3,14 ] l délka kulatiny [ m ] V1 celkový objem jednoho výřezu [ m3 ] Vyjádření čistého objemu řeziva z jednoho kmene kulatiny: k.h.v.l = V2 [ m3 ] Kde: (2.5) k počet řeziva z hmoty jednoho výřezu [ ks ] h tloušťka řeziva [ m ] v výška prizmy (šířka řeziva) [ m ] l délka řeziva [ m ] V2 čistý objem středového řeziva z hmoty jednoho výřezu [ m3 ] 108

109 Výpočet výtěže středového řeziva: V2 =W V1 Kde: (2.6) [%] V1 - celkový objem jednoho výřezu [ m3 ] V2 - čistý objem středového řeziva z hmoty jednoho výřezu [ m3 ] W výtěž středového řeziva v [ % ] 3. POSTUP VÝPOČTU VÝŤAŽE PRE STANOVENIE NAJIDEÁLNEJŠIEHO PRIEMERU PRED SAMOTNÝM PROCESOM REZANIA VÝREZOV PODĽA OBJEDNÁVKY. Konkrétny výpočet Rozměr: h x v x l Rozměr: 0,078 x 0,153 x 6 φd = 2.v φd = 2.0,153 φd = 0,22m - doporučený průměr Poněvadž l=6m φd str = 0,24m Na pořez byla vybraná kulatina o průměrech φd= 0,24 0,26m přičemž střední průměr byl určený jako φdstr = 0,28m. Z těchto konkrétních údajů byl následovným postupem vyjádřen počet desek, které na pile pořezali a z poměru objemů byla stanovená výtěž, kterou při takém řezáni dosáhli. 0,24 2 0,153 2 = 0, a = 0,1849 k = 0,18491 /(0, ,004) k = 2ks 2.0,078.0,153.6 = 0,1432 V1=0,1432m3 (0,28 2.π ).(6 / 4) = 0,36945 V2= 0,36945m3 W = 0,1432 / 0,36945 W=39% Poněvadž už byla navrhnutá kulatina, z které by se mohlo řezat řezivo těch jistých rozměrů, je vypočtená vytěž aj v takovém případě. 0,22 2 0,153 2 = 0,02499 a=0,1581 k = 0,1581 /(0, ,004) k = 2ks 2.0,078.0,153.6 = 0,1432 V1=0,1432m3 (0,24 2.π ).(6 / 4) = 0,27143 V2= 0,27143m3 W = 0,1432 / 0,27143 W=53% 109

110 Z příkladových výpočtů nám vyplývá, že použití vzorce na stanovení průměru na tenčím konci je vhodné neopomínat, ale ho používat pro lepší nastavení procesu řezání. Tab. 1 Výpočet výtěže Tab. 1 Calculation of wood yield Rozměr řeziva [h x v x l] (m) Řezaný průměr kulatiny (m) Střední priem. závislý od délky (m) 0,078x0,153x6 0,24-0,26 0, ,22 0,08x0,155x7 0,24-0,26 0, ,08x0,155x8 0,24-0,26 0,29 2 0,05x0,257x6 0,37-0,39 0,41 0,068x0,14x7 0,21-0,23 0,055x0,118x6 Počet desek (ks) Doporučený Střední průměr při průměr optim. závislý Výtěž v rozměrech od délky (%) (m) (m) Počet desek (ks) Výtěž v (%) 0, ,22 0, ,22 0, ,36 0, , ,2 0, ,35-0,36 0, ,17 0, ,068x0,138x6 0,27-0,29 0, ,2 0, ,12x0,2x6 0,32-0,34 0, ,28 0, ,12x0,2x7 0,32-0,34 0, ,28 0, ,12x0,2x8 0,32-0,34 0, ,28 0, ,12x0,16x6 0,30-0,31 0, ,23 0, ,12x0,16x7 0,30-0,31 0, ,23 0, ,1x0,16x4 0,27-0,29 0, ,23 0, ,1x0,16x5 0,27-0,29 0, ,23 0, ,1x0,16x6 0,27-0,29 0, ,23 0, ,1x0,16x7 0,27-0,29 0, ,23 0, ,1x0,16x8 0,39-0,41 0, ,23 0, ,12x0,16x5 0,42 0, ,23 0, ,1x0,16x6 0,39-0,41 0, ,23 0, ,1x0,16x7 0,39-0,41 0, ,23 0, ,1x0,16x8 0,39-0,41 0, ,23 0, ,036x0,225x4 0,34-0,35 0, ,32 0, ,036x0,225x5 0,32-0,34 0, ,32 0, Je možné použít i grafickou metodu, ale tenhle matematický postup je jistější. 110

111 Druhá věc, kterou není možno opomenout, či nevšimnout si je, že třídit kulatinu by se oplatilo po centimetry. Na jeden metr délky je přidáván jeden centimetr na průměr kulatiny. Při výtěži jsou 2 3% vyjádřené hodnotou jednoho centimetru odrážejícího se na tloušťce. Z uvedeného v tabulce 1 vyplývá, že určování průměru na užším konci kulatiny za pomocí vzorce (2,1) může být směrodajné, ale ne závazné, a to z důvodu, že na pilnici, kde porovnání bylo prováděno se rozměry řeziva jen málokdy přibližovali rozměrům při pořeze do čtverce. Avšak i proti této skutečnosti (tabulka 1), je možno vycházet při přípravě pořežu z už zmíněného vzorce. Každopádně stanovení správného pořezového plánu je předpokladem úspěchu v dosáhnutí přinejmenším optimální výtěže, která je pro středové řezivo okolo 40%. Celková výtěž by měla být alespoň 60%. Tímto výpočtem jako dokazují i výsledky v tabulce, které jsou zpracované a porovnávané za dva měsíce, a to měsíc s nejvyšší a měsíc s nejnižší výtěží, se potvrdila jedna z teorií uvedených na začátku tohoto zhodnocení, a sice že třídění výřezu by bylo nejideálnější vykonávat po centimetru. Závěr článku V konečném hodnocení návrhu modernizace pilnice z hlediska zvýšení kvality, výtěže jako i kapacity, se dospělo k velice dobrým výsledkům. Zajímavé by bylo sledovat, jak se uvedené výsledky odzrcadlí ve více provozech, v kterých by byli aplikované. Ideálny stav není možno dosáhnout nikdy, ale přiblížit se k němu dá. Úspěch totižto závisí aj od množstva a druhů objednávek. Proto je vždy potřebné pořezový plán přizpůsobovat těmto požadavkům, co může vypočítané hodnoty ztížit, čím se sníží konečné výnosy a výsledky budou slabší. Jak poukazují výsledky na výtěž, jako aj navýšení kapacity produkce má velký vliv to, jaká je kulatina a ne jenom kvalitou, ale aj rozměrově. Velmi důležitý je hned vstup do celého procesu řezáni přímo na skladě, už racionálně uskladnění ovlivňuje celý proces produkce. Dosáhnuté výsledky jsou velmi uspokojivé, protože jako ukázali výpočty a matematika nepustí, ztráta tak i výnos jsou velkou mírou ovlivněné právě tím jak je nastavený celý proces. Tento článek vznikl na základě řešení interního projektu IPA 23/2011 na TU ve Zvolenu. Literatura [1] KRUTEL, F., DETVAJ, J. Technológia piliarskej výroby. Zvolen : Technická univerzita vo Zvolene v edičnom stredisku, ISBN [2] MIKOLÁŠIK, Ľ. Drevárske stroje a zariadenia. Bratislava : ALFA - vydavateľstvo technickej a ekonomickej literatúry Bratislava, [3] MINÁRIK, M. Podklady pre konštrukčné riešenie sekačky. Zborník z VI. Medzinárodnej konferencie mladých, 2004, 9s. ISBN [4] NÁPRSTKOVÁ, N., NEDVĚD, F. The rationalization of Production for folding Brakes in concrete Manufacture. Toyotarity. Realization of production/service processes, 2009, s ISBN [5] NAVRÁTIL, A. Technológia spracovania dreva I. ALFA - Bratislava, 1985 [6] PAVLENKA, M. Záväzný technologický predpis. Drevovýroba Rojík s.r.o. Liptovská Teplá, [7] ŠÁRIKOVÁ, A., DETVAJ, J., DUDASOVÁ, V. Kvantitatívno kvalitatívna výťaž piliarskych výrobkov z ihličnatej suroviny. Zvolen: Vydavateľstvo TU Zvolen, ISBN Abstract 111

112 Article: Optimal material storage for getting the best yield Author: Krajčovičová Mária, MSc. PhD Workplace: Faculty of environmental and manufacturing technology Department of wood machines and equipment Keywords: optimization, manipulation with material, production, mathematical methods The final evaluation of the proposal in terms of modernization of sawmills to improve the quality, yield and capacity; it was a very good result. Very interesting would be to track the results as reflected in several operations which were indeed applied. The ideal situation is never achieved, but closer to it can be. Matter of fact, success also depends on the amount and type of orders. Therefore, it is always necessary porezový plan adapted to these requirements, which may reduce the calculated values, thereby reducing yields and final results will be weaker. Is now very important input into the process of cutting directly on the stock, has a rational storage affects the entire production process. Addressing the practical part was based on existing data that company. Based on the current state, which is first evaluated in the following steps is designed to resolve them. In addition to significant planned changes in the production process is also recommended upgrading the grading of logs in stock as well as introducing some new equipment for production, for example, debarked. 112

113 Investigation of Production Profitability within the ERP System MSc. Eng. Kujawa Anna, Prof. DSc. PhD. MSc. Eng.Stanislaw Legutko Faculty of Mechanical Engineering and Management, Poznan University of Technology, Piotrowo 3 street, Poznan, Poland. stanislaw.legutko@put.poznan.pl Introduction into problem The paper presents utilization of class ERP system for examination, analysis and updating of production standards. The investigation has been performed in a medium size enterprise manufacturing products of steel strip and sheet. It has been shown that everyday reporting of production in the ERP class system makes it possible to examine the individual products in respect of the production time and becomes a basis of verification of the standards imposed by the master firm. Continuation of the reexamination after verification of standards will most probably initiate introduction of piecework wage system. Key words: ERP system, production profitability 1 Introduction In recent years, as result of many modifications in the organization of production, completely new understanding of a modern production enterprise has arisen. This is also due to the changes which can be observed in the contemporary world economy, such as [1, 4]: possibility of processing and immediate access to information at any location on the world thanks to the scientific and technical progress, particularly in the field of information technology which modifies the principles and possibilities of marketing, manufacturing and, first of all, management, in an amazing way, still stronger dynamics of changes due to revolution which reinforces the position of countries and regions in which markets having good scientific and technical background and strong private sector facilitate transfer of investment capital, globalization which is one of the most important factors influencing the customers requirements, increase of the number of firms with foreign capital called subsidiaries who possess unlimited access to the developed and introduced methods of organization and management of the individual departments of the parent company. This means that contemporary enterprises function in an environment characterized by increasing competitiveness of products and producers, more and more individualization of the expectations of product users, liberalization of international trade exchange, development of financial markets and, first of all, dynamic scientific achievements which influence the development and accessibility of advanced production technologies and information processes of management. Regardless of the factors to which the firm is subjected, the most important things are: technological development, acquisition of new customers and expansion of the sales markets. Due to globalization, highly developed countries with relatively cheap labor expand their markets very rapidly. It is important, therefore, to attract customers with the price while maintaining the standard and binding product quality [3]. 2 Franchising Franchising is one of the methods of economical activity which consists in conducting an enterprise under the name of purchased brand, already known in the market. The word franchising is most often associated with fast food restaurants For one of the best known franchising networks in the world are McDonald s and KFC. Those firms have actually become synonyms of franchising. However, there are many more franchising brands. Some of them are, for example clothing networks (Lee Cooper, Lewi s, Tatuum, Reserved) or grocer shops (Centrum, Carrefour, ABC). The firms who take advantage of the trade mark and renown of the parent company for the needs of their own activity are called franchisees. This refers, too, to the production enterprise described in this paper. The franchisor, on the other hand, is the firm who has agreed for the use of its brand on the Polish market in return for a direct or indirect remuneration. The franchisor s profit in this case is a definite percentage of the turnover. An important feature of franchising is the concept of economic activity being conducted by the described enterprise according to the strictly determined principles and rules imposed by the parent firm. The subsidiary receives not only the possibility use the trade mark of the parent firm, but also access to the technical knowledge, proceeding systems, principles of production organization, technology and trade or know-how for the given branch (e.g. knowledge of the specific settlement and bookkeeping). In the case under consideration, the parent firm has an established position in various foreign markets, thanks to which sales of products and acquisition of new markets becomes still more possible. Often the parent firm renders financial, trade and technical assistance. On the other hand, however it keeps monitoring the observance of the principles it had imposed and the maintenance of the predetermined quality level. In the given case, also the financial reports of the subsidiary are checked. For this assistance and for granting the licence, the 113

114 franchisee pays the franchisor a so called entry fee and then a monthly lump sum. The franchisee, therefore, pays for the use in his business of the experience, knowledge and methods of activity the licensor has developed. Franchising is advantageous for the subsidiaries because: at the initial phase of activity and production, it allows for minimization of the costs of marketing, current financing of the enterprise and investments, the subsidiary takes advantage of the renown and market popularity developed by the parent firm, thanks to which it does not incur any additional costs involved in advertisement, promotion and acquisition of new sales markets, thanks to the position achieved in the market by the parent firm, the franchisee is more creditworthy for banks and in negotiations with new contractors, the cost of activity is limited in the case of franchising; the subsidiary can always get financial assistance of the parent firm or convenient terms of payment in financing of the current assets, the whole technological process and, consequently, the machines for manufacturing products is usually the property of the parent firm and is only rented to the subsidiary, which significantly influences reduction of the cost of activity, the risk of market failure is much limited, thanks to which return on investment is almost guaranteed and, consequently, the parent company ensures itself a kind of sense of safety. Disadvantages of franchising are as follows: the subsidiary cannot be sold without the parent company s consent, the technological process, production times, quality standards or packing are imposed by the parent company, the activity of the subsidiary is subject to continuous financial monitoring and to monitoring of the procedures and principles to be met and imposed by the parent company, all decisions made by the subsidiary must be consulted with the parent company. The production firm considered in the present work was bought by foreign capital in Since that time its offer has been enriched by the assortment produced in the parent company, e.g. Post boxes, locks. In this case, therefore, we have to do with production franchising. The enterprise is obliged to manufacture a single piece according to the time standards imposed by the parent company. The firm must also observe the rules of the technological process, supply products of proper quality standard and in predetermined packing. In the case under consideration, one of the most important disadvantages of franchising is the loss of independence of the production enterprise which is completely subordinated to the parent company and dependent on it. The firm does not possess so good machine facilities as the parent company and that is why comparison of production times imposed by the parent company to those reported by the production employees has been endeavoured. 3 The ERP class system and production reporting The ERP (Enterprise Resources Planning), often called MRP III - Money Resources Planning) is considered to be specific of the nineteen nineties [2, 5, 6]. Its objective is full co-operation of the enterprise organizational units, including the highest ones. It is a system which comprises the whole of the processes of supply, production and distribution which integrates various areas of the enterprise s activity, improves the transfer of information important for its functioning and allows for quick response to the changes of the market demands. The information is real-time updated and available at the moment of decision making. One of the most important differences between the ERP specification and the other ones the application of two-way mechanisms, based on limitations, optimizing planning and the system in-built possibility of electronic connections within the supply chain and sales. Furthermore, in the ERP/MRP method, mechanisms enabling simulation of various steps and analysis of their results, including the financial ones, are applied. This allows, among others, for precise planning, testing and comparison of all activities. One of the tools enabling smooth functioning of the system and providing the quickest information on material consumption, realization of production plans, as well as on the profitability, is the production report. Production report is the report of a production employee or his superior concerning the number of products made in the given time. In the case under consideration, the firm uses a program elaborated for its own needs in which production report (Fig. 1) is made by each employee every day, after completion of the given operation, that is from one to several times a day. 114

115 Fig. 1 Production report 2). At the beginning, however, a production worker selects, in the main panel, the purpose of his further actions (Fig. Fig. 2 The main panel Production report made by a production worker consists of: 1) worker s number assigned to him by the department of personnel and wages when signing the employment contract (the name and surname appear automatically, 2) date of the report, 3) definition of the kind of work, normal or piecework (each of them having 3 further options to choose: N work within standard working hours, E overtime, W weekend), 4) OF number, that is number of production order 5) selection of production setting ( zero - one system: 1 yes. 0 no), 6) number of the machine on which the worker has worked (the name of the machine appears automatically), 7) number of the product made (from the production order, product name appears automatically, 8) number of the operation (only the one possible to be executed for the given product, the name of the operation appears automatically), 9) number of products from the production order (for production from OF), 10) time of work, 11) number of products made by the worker, 12) waste, if any, 13) standard according to the system imposed by the parent company from the production order (standard acc. to AD6 Albert Deloin 6 from the OF). At the initial stage of the report elaboration, the workers found many problems, but systematically repeated trainings and verification of mistakes by stocktaking have resulted in the possibility to use the program for the calculation of profitability, productivity of work, machines etc. Advantages of production reporting: automatic taking of raw materials from the warehouse, which results in automatic generation of purchase proposals, possibility of checking production profitability, verification of machine productivity, 115

116 quality control, permanent examination of the whole enterprise productivity, determining of the productivity of the individual departments (presses, drawing machines, grinding machines, lathes, assembling etc.), real-time monitoring of the realization of orders, possibility to verify material consumption and monitor surplus production. A very important and still problematic thing is good production reporting consistent with reality. At the beginning, training in report making for all the staff should be organized and, additionally, the system should regularly checked. Verification of the states of raw materials, semi-products and ready made products is also effected through stocktaking cyclically performed in various departments. 4 Profitability of production Profitability reflects the effective functioning of the enterprise and that is why the purpose of each enterprise is to achieve high profitability. It is necessary, therefore, to determine measures by means of which profitability will be calculated. In the present work, a measure of production profitability defined as the relative rate of production profitability will be introduced because the enterprise under investigation is a subsidiary and the parent company imposes the time of execution of a piece of the product of steel strip or sheet. The relative rate of production profitability is defined as follows: pract. R= t * 100%. theoret where: R the relative rate of production profitability [%], pract - number of pieces actually made by the worker, t working time[h]. theoret - theoretical number in accordance with the standard imposed by the parent company [pcs/h]. The measure presented above can also be used as an indicator of productivity and provide information on the utilization of the given production factor. A value of the relative rate of production profitability below 100% is a signal that: a) the process engineer has improperly determined the time of making of one piece, b) the practical results are not consistent with the theoretical standards; it should be kept in mind that the subsystem at the franchisee s has been made in order to check the standards imposed by the franchisor and his AD6 system in real practice, c) the worker does not manage to meet the standard determined by the system, d) erroneous calculation of the sales price of the product is possible. The profitability threshold determined in this way helps to assess the risk of making decisions concerning the magnitude of production and the price of the product. In Figure 3, one can see a report which allows for profitability examination. Fig. 3 A report of the relative rate of production profitability (of a worker or a product) The person who is preparing the report can fill only those boxes from which he wants to take the data. Filling in the box with the worker s number, he will receive a list of all the production reports relevant to the given person. Filling the box with the number of product, he will receive a list of all the reports relevant to the given product number. 116

117 In the case of the enterprise under consideration, being a subsidiary, as has already been mentioned, all the technological and time data of the execution of the given element have been imposed by the parent company. They are contained in the base, gamme technology. Table 1 shows an technology example of a box type Missive. Table 1 The gamme technology of mail box type Missive Operation no. Machine setting time ,50 0,00147 Box Punching ,50 0,00333 Box Bending I ,50 0,00307 Box Bending II ,45 0,00333 Box Bending ready 20 Box Preparation for transport (to the assembling room/painting room Part no Time per 1 piece Part name 0,00028 Operation Machine no. 500 Basing on the production report made every day by all the workers and basing on the technological times imposed by the parent company, a report concerning the relative rate of production profitability has been made for many various realizations of operation no. 1 for box type Missive (table 2). Table 2 An example of the report concerning the relative rate of production profitability of operation no. 1 for the box type Missive Opera Description No. per Stand Machine Product tion of the Time Made R OF Date OF ard no. no. no. operation Punching Punching Punching Punching Punching Punching Punching Punching Punching Punching Punching Punching Punching Punching Punching % % , % % % , % , % , % % , % , % % , % , % %

118 The calculated average value of the relative rate of production profitability, in the case of type Missive box is about 80%. So far, such examination has been performed on the most often manufactured products. Their profitability was from 70% to 80%. It is possible that the standards provided by the parent company were inflated in order to reduce the cost of manufacture of the product and, consequently, to lower the price if it. Firms often decide to do such a step, i.e. to lower the price, for example by 25%, in order to get to new sales markets. In the case under discussion, the franchisor is also a customer. 90% of products made by that enterprise are delivered to the franchisor. It is easy to understand, therefore, that the parent company is very much interested in as high relative profitability as possible and, consequently, as low prices as possible. 5 Conclusions In practice, profitability plays a significant role in making various decisions, important for the enterprise. Franchising, on which the functioning of the enterprise under discussion is based, has resulted in that the parent company, trying to get to a new sales market, imposed infeasible technological standards to its subsidiary Production reporting in the ERP system has provided the possibility of checking the actual execution times of the individual operations for various products. The recalculated profitability has allowed the firm to find on what level of productivity it is functioning at the moment. Examination has shown profitability 15% to 30% below that which would generate gain. Today, the firm which keeps monitoring profitability is negotiating verification of the process of products with the parent company. The next steps to improve the productivity and, consequently, profitability of the enterprise will be introduction of piecework wage system and investment in machinery. So far, the technological process of some mail boxes has been verified. Machines have been partly replaced, which has already resulted in a reduction of profitability differences to the level of 10% to 15%. It should be kept in mind too, that human factor is an important one influencing production profitability. A well made production report and determination of correct manufacture time and then prices of the products will certainly result in profitability at a satisfactory level. References [1] Bednarek M: Doskonalenie systemów zarządzania nowa droga do przedsiębiorstwa lean, Centrum Doradztwa i Informacji Difin sp. z o.o., Warszawa [2] Brzeziński M.: Organizacja produkcji, Wydawnictwo Politechniki Lubelskiej, Lublin, [3] Coyle John J., Bardi Edward J., Langley C. John: Zarządzanie logistyczne, Polskie Wydawnictwo Ekonomiczne, Warszawa, [4] Fryca J., Jaworski J.: Współczesne przedsiębiorstwo zasobowe czynniki sukcesu w konkurencyjnym otoczeniu, Wyższa Szkoła Bankowa w Gdańsku, Warszawa [5] Szatkowski K.: Przygotowanie produkcji, Wydawnictwo Naukowe PWN S.A., Warszawa [6] Zawadzka L.: Podstawy projektowania elastycznych systemów sterowania produkcją, Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, Gdańsk,

119 Technologické aspekty při výrobě miniaturizovaný součástí Kurňava Tomáš, Ing. - Stančeková Dana, doc. Ing. PhD. - Czán, Andrej, doc. Ing. PhD. Fakulta Strojnícka, Katedra obrábania a výrobnej techniky, Žilinská Univerzita, Slovenská republika Práce se zaobírá aspekty při obrábění malých součástí z težkoobrobitelných materiálu pro medicínu, automobilový průmysl a pod. Úvodní část obsahuje přehled současného stavu řešenej problematiky výroby miniatúrnych současti na CNC strojech. V experimentální části sou zpracování výsledky měření opotřebení vrtákův u obrábění zkoumané součástky. Práce může sloužit jako podpora řešení problému. Tato práce souvisí s projektem Žilinské univerzity s číslem OPVaV-2009/2.2/04-SORO ( ). Jeho název je,, Inteligentní systém pro nedestruktivní technologie pro hodnocení funkčních vlastností součástí Xray difraktometriou ". Hlavní cíl projektu je transformovat nové nedestruktivní technologie pro přenos poznatků do průmyslové praxe v oblasti hodnocení funkčních vlastností v povrchových a podpovrchových vrstvách nedestruktivními technologiemi. Klíčová slova: miniaturní obrábění, CNC soustruh, soustružení, opotřebení Úvod Technický pokrok v současnosti si stále širším měřítku žádá vývoj a použití materiálů se špičkovými užitnými vlastnostmi. Mají zvýšenou odolnost vůči opotřebení při vysoké teplotě, vysokou pevnost, nízkou měrnou hmotnost a další zlepšené chemicko-fyzikální vlastnosti. Tyto výhodné užitné vlastnosti zároveň zapříčinuňují zhoršenou obrobitelnost, což vede ke snižování produktivity výroby, zvyšování nákladů na výrobu a množství jiných problémů s nimiž se můžeme setkat v procesu obrábění. Moderní proces obrábění součástek malých rozměrů z tažkoobrábateľných materiálů je realizován na speciálních CNC obráběcích strojích s posuvnou hlavou s velkým stupněm produkce. Proto je velmi důležité zvýšení výkonu obráběcích strojů. Většina těchto typů CNC obráběcích strojů je vybavena CNC řídícím systémem a také přídavnými zařízeními pro podávání a přísuv materiálu pro obrábění za účelem maximální produktivity automatizované výroby. Tyto CNC soustruhy poskytují vynikající přesnost a flexibilitu a zároveň představují specifické problémy řízení procesu a úvah. Nabízejí obráběci možnosti a výhody, řízení procesů na rozdíl od těch konvenčních CNC strojů. Nicméně, efektivně pracující CNC stroj vyžaduje jiný přístup, než obrábění na konvenčním soustruhu. 1 Obrábění malé komponenty Moderní proces obrábění dílů pro CNC obrábění malých rozměrů je realizován s posuvnou hlavou stroje s velkou mírou výstupu. Proto je velmi důležité zvýšit výkonnost obráběcích strojů. Většina z těchto typů CNC obráběcí stroj je vybaven CNC systém kontroly a také přílohy předložit materiál k pěstování tvorby prísuv a pro maximální produktivity v automatizované výrobě. [3] CNC obráběcí centrum s posuvným hlavu pro obrábění malé části, je vybaven hlavy, která se nachází v hlavní čepy s priechodzím otvorem pro materiál. Materiálu obrobku je prostřednictvím automatického podavače tyče, rozbalovací ve směru Z (+). Nástroje jsou pak stanoveny na poptávku šuje stabilitu obrábění. Pomocí druhého hlavního vřetene je možné protláčení materiálu cez prechodku, čím mohou být obráběný dlouhe hřídele Bez použití koníka. Při soustružení je možné použít až 12-polohovou nástrojovou hlavu. Jednotlivé nástroje jsou seřazeny v nástrojovém bloku (zásobníku). Větší typy těchto CNC strojů mají revolverové hlavy a současně využívají nástrojové bloky, což zvyšuje univer1 - hlavní vřeteno, 2 - držiak vodíciho pouzdra, zálnost jejich použití. Jak držáky nástrojů se používají ty ve standardním provedení, nebo systémy Coromant 3 - boční vrtáky, 4 - protivřeteno, 5 - držák vnějších Capto. Schéma hlavních částí CNC stroje na obrábění nástrojů, 6 - dráak vrtáků, 7 - blok bočních vrtáků, 8 blok mimovosových vrtáků) malých dílů je na obr.. 1 [3] Obr. 1 Konfigurácia CNC obrábacieho stroja na obrábanie malých súčiastok. Fig. 1 Configuration of CNC machining centre for small workpieces machining. Stejně tak princip obrábění malých součástek spolu s vyznačením pohybů v jednotlivých osách při vnějším hrubovací soustružení součástky s průměrem menším než 32 mm je vidět na obr. 2. Celý proces obrábění je prováděn v automatickem režimu CNC obráběcího stroje s řídícím systémem Fanuc Manual Guide i. Nastavení nulového bodu obrobku se provede zpravidla nástrojem, který je označen v tabulce korekcí číslem 1. Korekce 119

120 ostatních nástrojů je možné provést buď v manuálním režimu, nebo pomocí dotykové nebo optické, zda laserové odměřovací nástrojové sondy. [3] Obr. 2. Znázornění principu obrábění součástek malých rozměrů na CNC obráběcím stroji s posuvnou hlavou [3] Fig.2 Principle of small dimension workpieces machining at CNC machining centre with moving head [3] Obr. 3 Princip obrábění malých součástek s posuvnou hlavou [3] Fig. 3 Principle of small workpieces machining bz moving head [3] 1.1 Příklad obrábění součástky malých rozměrů Při obrábění součástek s průměrem menším než 32 mm na uvedených typech CNC strojů je třeba zvážit důležité aspekty. Je nutné začínat s obráběním vnitřních ploch součástky. Tím se zajistí stabilita řezného procesu, která vyplývá z tuhosti zabezpečené vodicím pouzdrem. Při určení pořadí má vliv i samotná technologie obrábění - výběr vrtání před soustružením, hrubování před dokončovacími operacemi a pod. Pokud je to možné, tak je třeba zvolit co možná nejmenší počet operací na co nejmenší počet záběrů. [3] 2 Opotřebení a trvanlivost Působením materiálu obrobku při jeho relativní ném pohybu při styku s nástrojem se řezný klín opotřebuje. Od rychlosti opotřebení nástroje závisí doba použitelnosti nástroje, neboť opotřebeným nástrojem nad určitou hodnotu, nelze zaručit požadované vlastnosti vyráběných součástek. V zájmu optimálního využití řezných nástrojů třeba zkoumat jejich opotřebení, získat podklady pro stanovení kritéria otupělost, pro posouzení jejich výkonnosti, určení oblastí jejich hospodárného použití a pro řešení jiných důležitých problémů. Opotřebení řezného nástroje při opotřebovávání nástroje vznikají postupné změny tvaru a rozměrů řezného klínu, vyvolané působením obráběného materiálu v důsledku mechanického zatížení, teploty a tření obrobku nebo třísky o nástroj. V důsledku interakce mezi obráběným a řezným materiálem dochází k zvětšení šování rozměrů plošek opotřebení na nástroji. Lineární rozměry opotřebení řezného klí-nu se zvětšují s časem podle křivky, znázorněné na (obr. 3). Obr.3 Charakteristická křivka opotřebení. [1] Fig.3 Characteristic line of wear [1]. Ze začátku materiál na třecích plochách rychle ubývá (pásmo I). Po určitém čase se opotřebení zpomalí (pásmo II) av závěrečné fázi se značně zrychlí (pásmo III). Poměrně rychlý nárůst hodnoty VB v oblasti I. je způsoben velkým měrným tlakem, který působí na styku hlavního zad nástroje s přechodovou plochou obrobku v důsledku velmi malé styčné plochy. V oblasti II. hodnota VB rovnoměrně narůstá v důsledku působení základních mechanismů opotřebení, nakumulované tepelné zatížení nástroje znamená výrazné zvýšení intenzity opotře-bení v oblasti. Doba trvání práce nástroje do dosažení hodnoty opotřebění VBK je trvanlivost nástroje T. Může se určovat v minutách strojového času, počtem obrobených kusů nebo ujetou dráhou nástroje. [1] 2.1 Mechanizmus opotrebovania Proces opotřebení nástroje je velmi složitý děj, který závisí na mnoha fyzikálních faktorů jako např. mechanické vlastnosti obráběného a nástrojového materiálu, druh obrábění, geometrie nástroje, pracovní podmínky, řezné prostředí atd.., přičemž jeho průběhu působí mnoho odlišných fyzikálně-mechanických jevů. K základním mechanismem opotřebení patří: mechanicko-brusné opotřebení - převládá při obrábění materiálů se zvýšenou brousící schopností, 120

121 molekulárně-adhezní opotřebení - lze vysvětlit jako pevné spojení materiálu nástroje a obrobku při vysokých tlacích a teplotách na stykových plochách (tvoření nárůstku), chemicko-difúzní opotřebení - vzniká při vysoké teplotě řezání (nad 800 C), čili při vysokých kých řezných rychlostech, kdy nastává difúze prvků z nože do třísky (C, Co) az třísky do nástroje (Fe), čímž klesá pevnost povrchových vrstev nástroje a opotřebení se zintenzivňuje. [1] Obr. 4 Svislost intenzity opotřebení nástroje od řezné rychlosti [2] Fig. 4 Intensity dependence of tool wear from cutting speed [2] Intenzita jednotlivých druhů opotřebení se s rostoucí teplotou mění. Z obr.. 4 vidíme, že při malých řezných rychlostech převládá adhezní a brousící opotřebení, při vysokých řezných rychlostech převládá difúzní mechanizmus opotřebení ní. Intenzita opotřebení při určité řezné rychlosti (teplotě řezání) vykazuje minimum. Tomuto minimu odpovídá maximální trvanlivost řezné hrany. Podle změny geometrického tvaru řezného klínu rozlišujeme následující formy opotřebení (obr. 5): na čele. Projevuje se vznikem žlábku, jehož tvar odpovídá příslušné izotermy v noži. Vzniká při materiálech, které dávají plynulou třísku. na zádech. Projevuje se vznikem nepravidelné plošky, která se časem obrábění zvětšuje. Vzniká při obrábění křehkých a tvrdých materiálů s elementální třískou. současně na čele i zádech. Vzniká při obrábění houževnatých materiálů. lavinové opotřebení. Vzniká při obrábění materiálů, při kterých se zvyšuje teplota řezání do takové míry, že snížení pevnosti řezného materiálu vede k jeho deformaci (např. obrábění slitin titanu). zvětšování rε. Vzniká při obrábění s nízkou tepelnou vodivostí jako dřevo, plasty, keramika. křehké porušení řezného klínu. Při obrábění vysoce pevných materiálů, když je řezný klín zatěžován velkými řeznými silami může docházet ke křehkému porušení řezného klínu. [1] Obr. 5 Vnější vzhled opotřebení nástroje [2] Fig. 5 The external appearance of tool wear [2] Nejčastěji používané kritéria opotřebení jsou VB - šířka opotřebované plošky na zádech, KT - hloubka žlábku na čele. Doporučené hodnoty kritéria VB leží v rozsahu 0,2 až 0,8 mm. [1] 3 Experimentální měření opotřebení a zjišťování ne trvanlivosti Trvanlivost vrtáků byla hodnocena zkouškou, při níž jako kriteriálních hodnota byla zvolená velikost opotřebení VBC = 0,15 mm. Měřením opotřebení VBC při různých rychlostech a posuvech byl určen čas, za který nastalo Kriteriální opotřebení řezné destičky. Z naměřených hodnot VBC byly sestrojeny grafy závislosti VBC = f (τ) pro daný vrták. Z těchto byl dále určen čas, za který řezná hrana dosáhla ktiteriálne opotřebení VBC, to znamená trvanlivost T řezné hrany při dané rychlosti vc a fz (f). Obr. 6 Charakteristická křivka opotřebení VBC vrtáku HSS s povlakem Co při konstantní řezné rychlosti vc a posuvu na zub fz Fig. 6 Characteristic line of wear VBC of drill HSS coated with Co at constant cutting speed vc and feed to tooth fz. 121

122 Tab. 1 Hodnoty trvanlivosti vrtáků Tab. 1 Values of drill durability. Tab. 2 Strukturální rovnice VBC Tab. 2 Structural equation of VBC vrták povlak. TiN T = 41,86.vc-0,43.fz -0,28 vrták nepovlakovaný T = 18,96.vc-0,86. fz -0,5 vrták povlak. Co T = vc-0,22. fz -0,32 platnička nepovlakovaná T = 0,37.vc-1,17.f -2,57 Tab.3 Opotřebení hrany vrtáků při konstantních řezných podmínkách vc = 5m.min-1, fz = 0,0029 mm.ot-1 Tab.3 Edge wear of drill at constant cutting conditions vc = 5m.min-1, fz = 0,0029 mm.ot-1 4 Vyhodnocení měření při vrtání Experiment na zjištění opotřebení a trvanlivosti vrtáku HSS s povlakem TiN, Co a nepovlakovaného. Obráběným materiálem byl titan TiGr2. V experimentu byla sledována závislost trvanlivosti T od řezné rychlosti vc a od posuvu fz. Řezná rychlost se pohybovala v rozsahu vc = 5; 15; 45 m.min-1, posuv na zub se pohyboval v rozsahu fz = 0,001; 0,0029; 0,0058 mm.ot-1. Z grafického srovnání trvanlivosti řezné hrany vrtáků je zřejmé, že nejmenší trvanlivost dosahuje vrták bez povlaku, a největší s povlakem Co. Při malých řezných rychlostech vzniká na řezné hraně nárastok, který výrazně mění podmínky obrábění. Při velkých řezných rychlostech, vzniká porušení řezného klínu. Optimální řezné podmínky při vrtání titanu TiGr2 HSS vrtákem Ø 2,3 mm. Bez povlaku - vc = 5m.min-1, fz = 0,0058 Tc 67 mim. TiN povlak - vc = 15m.min-1, fz = 0,001 mm.ot-1 Tc 103,5 min. Co povlak - vc = 5m.min-1, fz = 0,0058 mm.ot-1 Tc 174 min. 5 Záver Na základě experimentu měření trvanlivosti a opotřebení řezného nástroje můžeme kon-států, že povlakované řezné materiály dokázali snížit rychlost opotřebení řezných hran a tím zvýšit životnost nástroje ale také umožňují povolit použití vyšších řezných rychlostí bez negativního ovlivnění produktivity práce. Literatúra 1. MIČIETOVÁ, A. ČILLIKOVÁ, M Technológia obrábanie. 1. vydanie. Žilina: EDIS, s. ISBN VASILKO, K. a kol Top trendy v obrábaní III. časť Technológia obrábania. Žilina: MEDIA/ST, strán. ISBN: ] 122

123 Anotácia Názov: Technologické aspekty při výrobě miniaturizovaný součástí Autor: Kurňava Tomáš Ing. Stančeková Dana, doc. Ing. PhD. Czán Andrej, doc. Ing. PhD. Pracovisko: Fakulta Strojnícka, Katedra obrábania a výrobnej techniky, Žilinská Univerzita, Slovenská republika Klíčová slova: Miniatúrne obrábanie, CNC sústruh, sústruženie, opotrebenie Práce se zaobírá aspekty při obrábění malých součástí z težkoobrobitelných materiálu pro medicínu, automobilový průmysl a pod. Úvodní část obsahuje přehled současného stavu řešenej problematiky výroby miniatúrnych současti na CNC strojech. V experimentální části sou zpracování výsledky měření opotřebení vrtákův u obrábění zkoumané součástky. Práce může sloužit jako podpora řešení problému. Tato práce souvisí s projektem Žilinské univerzity s číslem OPVaV-2009/2.2/04-SORO ( ). Jeho název je,, Inteligentní systém pro nedestruktivní technologie pro hodnocení funkčních vlastností součástí X-ray difraktometriou ". Hlavní cíl projektu je transformovat nové nedestruktivní technologie pro přenos poznatků do průmyslové praxe v oblasti hodnocení funkčních vlastností v povrchových a podpovrchových vrstvách nedestruktivními technologiemi. Abstract Article: Technological aspects in the production of miniaturized parts Author: Kurňava Tomáš Ing. Stančeková Dana, doc. Ing. PhD. Czán Andrej, doc. Ing. PhD. Workplace: Fakulta Strojnícka, Katedra obrábania a výrobnej techniky, Žilinská Univerzita, Slovenská republika Keywords: Swiss machining, CNC lathe, drilling, wear The article deals with aspects in machining small parts from hardly machine materials for medical, automotive etc. The theoretical part contains an overview of the current situation of the solved problem. In the experimental clause are processed results of drill wear and in machining examined part. This article can be used as support for the solution of problems in the production of miniaturized parts. This work is related to the project with the University of Zilina OPVaV-2009/2.2/04-SORO number ( ). His name is intelligent system for nondes-tructive technologies on evaluation for the functional properties of components of X-ray diffraction ". The main aim of the project is to transform the new nondestructive technology, to transfer knowledge into industrial practice in the area of evaluation of functional properties in surface and subsurface layers by non-destructive techniques. 123

124 Návrh technologie získávání kovů z vyřazených mobilních telefonů. Laubertová Martina, Ing., PhD., Trpčevská Jarmila, Doc., Ing., CSc. Katedra neželezných kovov a spracovania odpadov. Hutnícka fakulta, Technická univerzita v Košiciach, Slovensko. .: martina.laubertova@tuke.sk Novický Marián, Ing. MachTrade, s.r.o. Sereď, Slovensko Tato práce se zabývá zpracováním vyřazených mobilních telefonů, které vzhledem k obsahům zájmových kovů tvoří alternativní druhotnou surovinu. V práci byla studována možnost získávání zlata z vyřazených mobilních telefonů hydrometalurgickým způsobem. První část je zaměřena na charakterizaci vstupního materiálu mobilních telefonů to jest materiálovým složením a chemickou analýzou. Specifickým krokem před samotným zpracováním je vzorkování tohoto heterogenního materiálu, které bylo rovněž studováno. V následující části je tento vstupní materiál podroben mechanické úpravě. Upravený materiál se podrobil vylouhování, jehož cílem bylo vyluhovat měď. Při louhování bylo cílem odsledovat vliv koncentrace činidla, poměru K: P (kapalný - tuhá fáze) a teploty. Na louhování byla použita kyselina sírová a kyselina chlorovodíková. Koncentrace chloridu železitého byla 0,1; 0,5 a 1 M FeCl3 a okyselené přídavkem 0,5 HCl a 0,1; 0,5 a 1 M Fe2(SO4)3 přikyselen přídavkem 0,5 M H2SO4. Teplota louhování byla 40, 60 a 80 C. Poměr kapalné k pevné fázi se rovnal 20. Zrnitost podrcených mobilních telefonů zůstala <-8 +0 mm>. Doba louhování každého experimentu byla 60 minut o koncentrací 1 M a teplotě 40, 60, 80 C. Navržena schéma zpracování vyřazených mobilních telefonů se jeví jako nadějný způsob získávání kovů z alternativních zdrojů surovin. Klíčová slova: mobilní telefony, hydrometalurgie, recyklace, zlato. 1 Úvod Současný průmysl je nasměrován na zvýšenou produkci elektrických a elektronických zařízení. Tyto tvoří nedílnou součást našeho každodenního života. Touha vlastnit modernější a dokonalejší mobilní telefon (MT) nás nutí si ho pořídit stále častěji, protože i koupě nového zařízení je výhodnější než jeho oprava. Každý mobilní telefon jednou ukončí svůj životní cyklus a stává se odpadem. Z pohledu materiálového složení mobilního telefonu ten obsahuje celou radu zajímavých složek. Kovy jako měď, zinek, nikl, zlato, stříbro, palladium, platina mají 25% zastoupení v MT. Tyto mohou být znovu použity. Obsah nebezpečných látek v MT je 59% například rtuť, kobalt, beryllium, olovo, arsen a specifické látky obsažené v plastech. Ostatní materiál tvoří keramika [1]. Evropská komise odhaduje, že každý Evropan vyprodukuje ročně asi kg elektroodpadu, který zahrnuje žárovky, staré televizory, počítače, mobilní telefony, chladničky a různé elektrické a elektronické součástky. Ročně je to tedy asi 9 milionů tun elektronického odpadu. Zároveň představuje jednu z nejrychleji rostoucích složek odpadu v EU [2]. Evropský parlament chce v průběhu roku 2011 odsouhlasit přísnější pravidla pro sběr a recyklaci OEEZ, jehož objem v Evropě nebezpečně roste. Hlavním cílem úpravy pravidel z roku 2003, je zlepšit sběr a recyklaci OEEZ. V současnosti se recykluje jen asi 33% OEEZ. Mezi zeměmi navíc existují obrovské rozdíly v jeho sběru. Podle prvního návrhu nové směrnice, budou muset členské státy od roku 2016 sesbírat 85% OEEZ, z toho 5% pro opětovné použití [3]. Na Slovensku je v současnosti aktivních kolem 9 milionů mobilních telefonů. Při průměrné tříleté ukončenou životností, skončí s největší pravděpodobností v odpadech 6 milionů MT, což představuje 554 tun baterií a 264 tun kovů a plastů, využitelných jako druhotná surovina. Představa, že každým rokem počet vyřazených mobilních telefonů narůstá, nás nemůže nechat lhostejnými ať už z hlediska jako nositele nebezpečných látek nebo z hlediska využitelnosti jednotlivých látek jako druhotné suroviny. Neustále zvyšující se množství elektronického odpadu přimělo Evropskou unii, stejně jako jiné země, k přijetí zákonů, které upozorňují na nebezpečí plynoucí z takového to druhu odpadu, mezi které se řadí i mobilní telefony. Snahou těchto směrnic je, aby vyřazené mobilní telefony (VMT), jako součást elektronického odpadu, neskončily na skládkách a neznamenaly tak potenciální nebezpečí pro životní prostředí, ale se staly plnohodnotnou surovinou při získávání kovů [4]. Téma zpracování odpadů elektrických a elektronických zařízení je v současnosti vysoce aktuální a proto cílem tohoto článku poukázat na problematiku současného stavu zhodnocování VMT a navrhnout možný způsob jejich zpracování. Za účelem získat kovy obsažené ve vyřazených MT, můžeme použít dvě hlavní cesty a to zpracováni pyrometalurgicky nebo hydrometalurgicky. Ochrana životního prostředí a energie jsou nejzávažnější problémy ovlivňující opětovné získání kovů. Významně ovlivňují způsob zpracování materiálu. Z ekologického hlediska se jeví perspektivnější hydrometalurgická cesta a důvodem jsou zvyšující se nároky na emise do ovzduší, které vznikají při pyrometalurgicky zpracování. Obě tyto způsoby mají své výhody a nevýhody. Pyrometalurgie: nevýhody procesu jsou především vliv na životní prostředí a vysoké investiční náklady. Hydrometalurgie (mokré metody): výhody procesu pomocí levných, selektivní a vyjímatelné vyplavování látek a nevýhody jsou: homogenní vstupních materiálů, odpadních vod s pevnými zbytky [5]. Mechanické zpracování je důležité před oběma metodami především u hydrometalurgie. Baterie musí být odstraněny před 124

125 mechanickým nebo pyrometalurgicky zpracování a upravený. Mechanické oddělení obsahuje hrubé drcení a další zmenšení velikosti a separačních technik. Mezi nejčastěji separační techniky používané pro střední suroviny je magnetické separace. Pohybující se elektromagnetických polí ECS jsou zvyklé na oddělení hliníků od ostatních materiálů. 2 Studium hydrometalurgického zpracování OEEZ Základním operacím v hydrometalurgii je louhování. Jde tedy o získávání kovů do roztoku. Mnozí autoři se zabývají louhování elektrického a elektronického odpadu (OEEZ). Tomášek a kol. [6] louhovali odseparovaný elektronický šrot v laboratorních podmínkách. Na louhování Byly použity různé typy kontaktů s obsahem Au 1hm% a Cu hm%. Byly testování tři způsoby migrace na účinnost extrakce zlata. Bylo navrženo louhování v směs anorganických kyselin, ve vodném roztoku Thiomočoviny a lučavky královské. Podmínky louhování byly: poměr K: P = 10:1, čas louhování 300 minut a teplota 23 C, bez míchání. Nejlepší výsledky byly dosažená pomocí lučavky královské (97,74% Au). V následujícím kroku se pomocí elektrolýzy získalo zlato s 99,99% čistotou. Autoři [7] louhovali tři typy vzorků vyražených mobilních telefonů (MT) bez baterií. Základ tvořily vzorky mletých VMT a nemagnetické frakce podrcených VMT. Před samotným louhováním MT, byly vzorky tepelně zpracované, v inertní atmosféře, při teplotě 900 C, po dobu 3 minut. Takto získané vzorky MT Byly louhované ve zředěné HCl a takové ve zředěném roztoku kyseliny chlorovodíkové okyselené chloridem železitým pro louhování. Pro každý experiment byl použít poměr K: P = 20:1, teplota 60 C a čas louhování byl 90 minut. Účinnost pro měď a stříbro byla stanovena metodou AAS. Použití chloridu železitého, jako oxidačního činidla, má za následek vyšší efektivitu pro měď a stříbro jako použití neoxidačních HCl. Magnetická separace vzorek MT neměla významný vliv na louhování mědi. Tepelné zpracování před louhování má pozitivní vliv na výtěžnost mědi. Pro experimenty louhování [8] byly použití celkového a rozdrcené desky plošných spojů (DPS). Použity byly roztoky chloridu sodného a mědi (II) chlorid-2-hydrát. Roztok byl očištění pomocí kyslíku. Optimální ph je mezi 1,5-2,5 a teplota 90 C během 7,5 hodiny. Zároveň byl sledován účinek ozonu (s koncentracemi 3% objemových.) Na vloženou celou DPS do skleněné nádoby obsahující vodu z vodovodu, čas louhování byl 15 hodin. Extrakce mědi byla 45 mg Cu /kg odpadu. Účinek ozonu nemel významný vliv na vyluhování. Ving Hung Ha a kol. [9] studoval louhování zlata z desek plošných spojů (DPS) vyražených mobilních telefonů. Byl použít účinný a jménem nebezpečné způsob, měď-amonný-thiosíran sodný, jako alternativa ke konvenčnímu použití toxických kyanidu pro získání zlata. 90% zlata, že vzorků DPS, bylo vylouhované pomocí roztoku obsahujícího 20mm mědi, 0,12 M tiosíranu a 0,2M amoniaku, během 10 hodin. Ze závěrů vyplývá, že hydrometalurgicky způsob zpracování vyražených mobilních telefonů by mel být výhodnou metodou pro získávání kovů z OEEZ. Z prostudování literárního přehledu byly stanovený dílčí cíle práce, tj. experimentální určit optimální podmínky louhování vyražených mobilních telefonů. Při louhování bude cílem odsledovat vliv koncentrace činidla, poměru K: P (kapalný - tuhá fáze) a teploty. A následně navrhnou schéma možného louhování mobilních telefonů. 3 Příprava a charakteristika materiálu 3.1 Sběr V současné době existuje velké množství vyřazených mobilních telefonů. Problémem však zůstává toto množství nashromáždit - nakoncetrovat. Na půdě Katedry neželezných kovů a zpracování odpadů HF, Technické univerzity v Košicích, sběr probíhá od roku 2007 (Obr. 1). V těchto experimentech množství 9,4 kg MT s příslušenstvím tvořilo základ pro další výzkum. Obr. 1 Sběrné nádoby na KNKaSO Fig. 1 Collection containers on KNKaSO 125

126 3.2 Mechanická úprava a chemická analýza Prvním krokem před samotným zpracováním byla mechanická úprava. Po ruční demontáži baterií bylo množství 3,498 kg MT mechanicky upravené drcením na zrnitost <-8 +0 mm> pomocí nárazového drtiče typu (ŠK 600). Z takto upravených mobilních telefonů se po homogenizováni a kvartací odebrali čtyři reprezentatívne vzorky pro chemickou analýzu. Chemická analýza jednotlivých vzorků byla provedena pomocí metody atomové absorpční spektrometrie, AAS (Varian Spektrofotometerr AAS20+), Chemické složení jednotlivých vzorků a následný průměr, který se dále používal ve výpočtech je znázorněn v tabulce. 1, kde vidět, že hlavní podíl připadá na Cu, Au a Ag. Tab. 1 Chemická analýza vyřazených MT Tab. 1 Chemical analysis discarded MT % průměr Zn 0,71 Cu 15,12 Fe 1,54 Pb 0,75 Sn 1,69 Al 1,27 Ni 0,96 Au 0,067 Ag 0,22 Pt 0 Pd 0 Po testování vstupních vzorků a jejich charakterizaci následovalo samotné hydrometalurgické zpracování. Prvním krokem při hydrometalurgickem zpracování je louhování. 3.3 Metodika experimentu Při luhovaní bylo cílem získat do roztoku co nejvyšší obsah Cu z mobilních telefonů. Jak louhovací médium byla použita H2SO4 a HCl a oxidační činidlo Fe3 +. Koncentrace chloridu železitého byla 0,1; 0,5 a 1 M FeCl3 a okyselené přídavkem 0,5 HCl a 0,1; 0,5 a 1 M Fe2(SO4)3 přikyselen přídavkem 0,5 M H2SO4. Teplota louhování byla 40 C a 60 C. Poměr kapalné ke pevné fázi se rovnal 20. Zrnitost VMT zůstala <-8 +0 mm>. Doba louhování každého experimentu byla 60 minut. Každých 5, 10, 15, 30, 60 minut byl odebraný vzorek pro chemickou analýzu pro stanovení množství Cu, Zn, Ni v roztoku metodou AAS. Louhování probíhalo v aparatuře zobrazené na obr. 2. Výsledky jsou zobrazeny v následujících grafech. Obr. 2 Aparatura na louhování Fig. 2 Apparatus for leaching 4 Výsledky a diskuse 4.1 Louhování v HCl - vliv teploty a koncentrace oxidačního činidla Fe3 + Na obrázku 3 vidět výtěžnost Cu do roztoku, kinetické křivky mají podobný hyperbolický charakter. Nejvyšší výtěžnost je získána použitím 1M FeCl3 + 0,5 HCl. Výtěžnost byl 55% při obou teplotách po 30 minutách louhování a poté klesala, což bylo pravděpodobně způsobeno následnou cementací kovu. Srovnáním kinetických křivek louhování při dvou různých teplotách křivky mají stejný tvar, předpokládá se, že dalším zvyšováním teploty se výtěžnost mědi nezmění obr. 3. a

127 100 MT, T=40 C, x MFeCl3+0,5HCl, K:P=20 výťažnosť Cu [%] M 0.5 M 1M doba lúhovania [min] Obr. 3 Kinetické křivky vyluhování mědi do roztoku při 40 C v FeCl3 Fig. 3 Kinetic curves of leaching copper into the solution at 40 C in FeCl3 100 MT, T=60 C, x MFeCl3+0,5HCl, K:P=20 výťažnosť Cu [%] 80 0,1 M 0,5 M 1M doba lúhovania [min] Obr. 4 Kinetické křivky vyluhování mědi do roztoku při 60 C v FeCl3 Fig. 4 Kinetic curves of leaching copper into the solution at 60 C in FeCl3 4.2 Louhování v H2SO4 - vliv koncentrace oxidačního činidla Fe3 + Na obrázku 5 a 6 vidět výtěžnost Cu do roztoku při různých koncentracích loužicího činidla. Kinetické křivky mají podobný charakter a hyperbolický tvar. Nejvyšší výtěžnosti se dosáhlo použitím 1MFe2 (SO4)3 + 0,5 M H2SO4 a to 58,61% po 30 minutách louhování. Taktéž je to potvrzeno i vizuálně na fotografii lúhovacích zbytcích zobrazených na obr. 7., kde je vidět modré zbarvení tj. přechod Cu do roztoku v iontové formě jako Cu C, K:P 20, x M Fe2(SO4)3+ 0,5M H2SO4 0,1 M 0,5 M 1M výťažnosť Cu [%] doba lúhovania [min] Obr. 5 Kinetické křivky vyluhování mědi při 40 C v Fe2 (SO4)3 Fig. 5 Kinetic curves of leaching copper into the solution at 40 C v Fe2 (SO4)3 127

128 C, K:P 20, x M Fe2(SO4)3+ 0,5M H2SO4 výťažnosť Cu [%] ,1 M 0,5 M 1M doba lúhovania [min] Obr. 6 Kinetické krivky vylúhovania medi pri 60 C v Fe2(SO4)3 Fig. 6 Kinetic curves of leaching copper into the solution at 60 C v Fe2 (SO4)3 Obr. 7 Loužicí zbytky po louhování v H2SO4 s různou koncentrací oxidačního činidla Fig. 7 Leaching residues after leaching in H2SO4 with different concentrations of oxidant Porovnáním obou lúhovacích činidel síranu železitého a chloridu železitého při stejných podmínkách luhování vyřazených MT, lépe výtěžnosti Cu dosáhli louhováním v síranu železitého. Proto se v dalších experimentech louhování použila kyselina sírová s přídavkem železitého iontu, kde se testoval vliv teploty a vliv poměru K: P (kapalná-pevná fáze). 4.3 Louhování v H2SO4+ Fe3 + - vliv teploty Na obr. 8 vidět kinetické křivky louhování Cu při třech různých teplotách 40, 60 a 80 C. Největší výtěžnosti se dosáhlo při teplotě 80 C a 1MFe2 (SO4) 3 + 0,5 MH2SO4 a to 67,7% Cu. Tato křivka má jiný charakter než ty dvě předešlé, zřejmě dochází k vypadávání Cu z roztoku. Porovnání výtěžnosti Cu v 30 minutě louhování (Obr. 9) dokazuje, že dalším zvyšováním teploty se zvyšuje výtěžnost Cu. 100 MT, 1M Fe2(SO4)3+ 0,5M H2SO4, K:P 20 výťažnosť Cu [%] C 60 C 80 C doba lúhovania [min] Obr.8 Porovnání kinetických křivek vyluhování Cu při různé teplotě Fig. 8 Comparison of kinetic curves copper leaching at different temperatures 128

129 100 MT, 1M Fe2(SO4)3+ 0,5M H2SO4, K:P 20 výťažnosť Cu [%] min teplota [ C] Obr. 9 Porovnání výtěžnosti mědi při různých teplotách v 30 minutě louhování Fig. 9 Comparison of the yield copper at different temperatures in the 30 minute of leaching Vizuálním porovnáním struktur pod optickým mikroskopem, obr.. 10 a 11 vidět, že se změnil povrch kovů a komponentů. Povrch kovů je značně zkorodovaný a na místech, kde byla použita měď jako řidič (desky plošných spojů) se měď extrahovala do roztoku. Na obrázku 11 je část DPS po louhování v 1M Fe2(SO4)3 + 0,5 M H2SO4. Z toho jednoznačně vyplývá, že materiál, byl ovlivněn procesem louhování. Obr. 10 Pozorovaná struktura jednotlivých frakci před louhováním Fig. 10 The observed structure of individual fractions before the leaching Obr. 11 Porovnání struktury po louhování Fig. 11 Comparison of structure between the leaching 129

130 Pro následnou extrakci Au, Ag z roztoku můžeme použít metody: cementování, elektrolýzu nebo iontovou výměnu, jejichž použití je podmíněno jejich koncentrací v roztoku. 5 Závěr V této práci se zkoumala možnost hydrometalurgického zpracování vyřazených mobilních telefonů. Z prostudování literárního přehledu a současné problematiky nakládání s odpady na Slovensku a ve světě bylo navrženo hydrometalurgické zpracování vyřazených mobilních telefonů jako alternativa k pyrometalurgickému zpracování. Při pyrometalurgickém zpracování množství vstupních materiálů musí být značně vysoké a dopad na životní prostředí je nezanedbatelný. Hydrometalurgie dokáže zpracovat i malé množství vstupních surovin. Dlouhodobým záměrem Evropské unie je, aby každý členský stát odstraňovat svůj vlastní odpad "doma - na půdě státu". I z tohoto důvodu by mohlo být hydrometalurgicky způsob zpracování vyřazených mobilních telefonů vhodnou alternativou. Po vyhodnocení výsledků experimentů, které jsou popsány v práci byla navržena schéma možného hydrometalurgického zpracování vyřazených mobilních telefonů (Obr. 13). Po důkladném ověření jednotlivých výsledků experimentálního procesu by mohla existovat možnost hydrometalurgického zpracování vyřazených mobilních telefonů a jejich jeho využití v praxi. Obr. 12 Schéma možného hydrometalurgického zpracování vyřazených mobilních telefonů Fig.12 Scheme of potential hydrometallurgy process of discarded mobile phones 130

131 Literatura [1] Proč recyklovat [online]. Aktualizované Dostupné na internetu: < > [2] Elektroodpad: ministri schladili europoslancov,[online]. Aktualizované Dostupné na internetu: < > [3] Elektroodpad sa nebude vyvážať ale recyklovať, [online]. Aktualizované Dostupné na internetu: < elektroodpad-sa-nebude-vyvazat-ale-recyklovat > [5] Laubertova, M., Novicky, M., Vindt, T.: The possibilities of hydrometallurgical treatment ofdiscarded mobile phones. XVIII. International Student s Day of Metallurgy, 2011 Montanuniversität Leoben, [6] Hagelüken Ch., Metals recovery from e-scrap in a global environment. [online]. Aktualizované 2007 Dostupné na internetu: < sideevent030907/umicore.pdf > [7] Tomašek K., Vadász P., Rabatin Ľ.: Gold extraction from electronical scrap. Acta Metalurgica Slovaca, 6, (2000), 2, [8] Laubertová M., Ukašík M., Zajacová M., Havlík T. Possibilities of used mobile phones material recovery. Acta Metallurgica Slovaca, 12, (2006), , Laubertová M., Havlík T., Zajacová M.: Hydrometalurgické spracovanie Vyradených Mobilných Telefónov. In: Recyklace Odpadu XI, II..(2007) [9] Karonen M. Recovery of metals in mobile phones. Master s of thesis for degree of Master of Science Technology submitted for inspection, Espoo, August, (2009), 97 Abstract Article: Authors: The suggestion of technology of metal recovery from discarded mobile phones. Laubertová Martina, Ing.,PhD. Havlík Tomáš, Prof., Ing. DrSc. Jarmila Trpčevská, Doc. Ing. CSc. Marián Novický, Ing. Workplace: Department of Non Ferrous Metals and Waste Treatment, Faculty of Metallurgy, Technical University of Košice Keywords: recycling, WEEE, recovery, mobile phones This work deals with the processing of discarded mobile phones due to the metal content of interest is an alternative secondary raw material. In order to obtain the metals contained in discarded mobile phones, we use two main routes pyrometallurgical or hydrometallurgical processed. When pyrometallgical processing of raw materials must be very high and the impact on the environment is negligible, hydrometallurgical processing can handle a small amount of raw materials and environmental impact is not so pronounced. In long-term objective of the European Union, each Member State to eliminate its own waste "at home - on the ground state." For this reason, it might be a way hydrometallurgical processing of discarded mobile phones suitable alternative. In this work were studied the possibilities of obtaining gold from discarded mobile phones by hydrometallurgical way. The first part focuses on the characterization of the input material of mobile phones that is, material composition and chemical analysis. A specific step before the actual processing is a sampling of heterogeneous materials. The following is the input material is subjected to mechanical treatment. Adjusted material submitted to leaching, whose aim was to leach copper. The aim of the leaching was to investigate influence of the concentration of the reagent, the ratio of K: P (liquid - solid phase) and temperature. The leaching was used sulfuric acid and hydrochloric acid. The concentration of ferric chloride were 0.1, 0.5 and 1 M FeCl3 and acidified by adding HCl 0.5 and 0.1, 0.5 and 1 M Fe2 (SO4)3 acidification addition of 0.5 M H2SO4. Leaching temperature was 40, 60 and 80 C. The ratio of liquid to solid phase equaled the 20. Granularity crushed mobile phones remained <-8 +0 mm>. Duration of each leaching experiment was 60 minutes on the concentration of 1 M and 40, 60 and 80 C. Designed schema processing of discarded mobile phones appears as a hopeful way of extracting metals from alternative sources of raw materials. 131

132 The influence of process fluids from PARAMO a.s. on the surface roughness in turning Licek Roman, Ing., Popov Alexey, prof. Dr. Ing., Department of Machining and Assembly, Faculty of Mechanical Engineering, Technical University of Liberec Industry in the CR is still increasing demands to improve the surface quality of machine parts. Process fluids are in fact able to significantly improve the surface quality of machine parts. Nowadays we have a lot of available process fluids on the market from Paramo a.s., which is one of the largest suppliers of process fluids in the country. This article deals with the assessment process fluids from the company PARAMO as in terms of roughness of the machined surface during feed turning. Users of process fluids can successfully use these results in practice. Keywords: process fluid, roughness, turning, built-up-edge, feed 1 Introduction In industry (e.g. automobile) big demands are placed on improving the surface quality of machine parts. In the production engineering process fluids are used, which significantly influence the course and outcome of the machining process. Experiments in longitudinal turning were performed at the Department of machining and assembly of Liberec. The influence of process fluids and cutting conditions on surface roughness when machining was studied. The effect of the built-up-edge, which is mostly positive during machining, but also can be requested, was studied too. The physical nature of built-up-edge shows that for a given material and cutting environment is the intensity of built-in dependent on cutting speed or respectively on cutting temperature and cutting environment. A suitable choice of cutting conditions and cutting environment can influence the machined surface roughness. By creating of the built-up-edge, large frictional forces arise between blade knives and built-up-edge, the built-up-edge is exposed to stress composed. Forming the built-up-edge, which is exposed to the versatile pressure and in this relatively stable state it is gradually increased by additional layers of material and its shape is changing. At some point, due to changing loads acting on built-up-edge, built-up-edge is deformed and fragily breaking up. The creating of the built-up-edge is a periodic phenomenon. After reaching its maximum size, builtup-edge remains stable for some time until it falls apart and then there is a new creation of built-up-edge. Frequency of the built-up-edge formation is quite high, depending on cutting conditions. The formation of the built-up-edge is always harmful at the completion of the cemented carbide, because it leads to plucking parts of carbide by welded built-up-edge [2]. 2 Methodology of testing process fluids in longitudinal turning Experimental measurements were carried out in the laboratories of the Department of machining and assembly at TU in Liberec. Turning proceeded on a sample steel 16MnCr5 (14 220) with a diameter of 70 mm and length 800 mm. The lathe S1-250 /1000 with the turning knife CTAPR 2020 K KT (staffed) fitted with indexable inserts TPUN S30 carbide was used for the test. The cutting plate is not coated. For each test new edge inserts were always used. Cutting depth ap was 0.5 mm. Feeds f values were set to 0.05 mm / rev, 0.10 mm / rev and 0.15 mm / rev, cutting speed vc was 6 m / min. All the measurements were always repeated 5 times and measured values were statistically evaluated. The selected cutting conditions meet the parameters of finishing turning. A workpiece material was selected from a cement-alloy steel 16MnCr5. For experiments different types of process fluids from Paramo Pardubice, Inc. were used. The concentration of the liquid was controlled by a special device - a Brix refractometer 0-18% ATC with an accuracy of ± 0.15%, the concentration value for measuring was maintained at 4 % level. Process media were assessed from the point of view of the impact on the quality of machined surface, where surface roughness was evaluated. Surface roughness parameters were measured by using the laboratory profilometer Mitutoyo Surftest SV2000N2 and the results were further processed in the software environment Surfpark. Roughness measurements were made at ten different locations of the machined surface. 132

133 3 Process fluids Emulsions, synthetic fluids, cutting oils are most commonly used as technological process liquids during working in the industry. The effect of the process liquid can be divided into the coolant and lubricating (greasy) then there is the cleaning effect. These effects allow us to improve the machined surface roughness, by the emergence of the built-up-edge. An important effect of adhesion between the tool and the chip is the formation of the built-up-edge [2]. Process fluids have physical and chemical properties that are manifested by lubricating, cooling, cleaning and corrosive effect when cutting. The following the process liquid media were tested during this experiment [10]: Paramo EOPS UNI Paramo EOPS AW Paramo SK 220 Paramo ERO SB Paramo ERO AW - Universal semisynthetic cutting fluid - semisynthetic cutting fluid with a high content of active additives - synthetic machining fluid - coolant for a well-defined tool geometry - coolant for machining aluminum alloys and hard-to-machine steels The concentration of the liquid was controlled by a special device - a Brix refractometer 0-18% ATC with an accuracy of ± 0.15%, the concentration value for measuring was maintained at 4 % limit (Tab. 1). Process media were assessed from the point of view the impact on the quality of machined surface, where surface roughness was evaluated. Some properties specified by the manufacturer of process fluids are in Tab. 2. The lower the number, the better behaviour in the properties. Tab. 1 Concentrations of tested process fluids Tab. 1 Koncentrace testovaných procesních kapalin Concentration recommended ConcentrCoefficient Process by the ation used refractometer medium manufacturer [%] [-] Paramo [%] EOPS UNI ,1 EOPS AW ERO SB 3-8 ERO AW ,976 SK ,5 1 Tab. 2 Properties of process fluids Tab. 2 Vlastnosti procesních kapalin Wettability Active sulfur Process surface content in the medium tension formulation [%] Paramo compared Viscosity at 40 C (mm2/s) EOPS UNI EOPS AW 3 1,8 80 ERO SB ERO AW 2 3,

134 SK ,15 4 The quality of a machined surface Surface roughness is one of the most important quality parameters of machined parts. In Figure 3, 4, 5 there are presented values of the average arithmetic profile deviation Ra, set for the test sample in longitudinal turning. Influence of the process fluid on longitudinal turning process was further assessed by the effect that the individual media have on quality machined surface of the sample. It was diagnosed by the profilometer MITUTOYO Fig. 2. The parameter of the surface roughness of the workpiece Ra was evaluated. The values of the parameter Ra ranged from 0.55 µ m to 4.55 µ m. The graph shows that the effect of process fluids and builtup-edge was relatively strong. Fig. 1 Picture of the measured roughness Obr. 1 Měřená součást Fig. 2 Profilometer MITUTOYO SV-2000N2 Obr. 2 Profiloměr MITUTOYO SV-2000N2 4.1 Effect of process fluids to the surface quality (roughness) Machined surface roughness used in the feed f = 0.05 mm /rev 134

135 Fig. 3 Parameter values of roughness profile Ra, the feed f = 0.05 mm /rev Obr. 3 Hodnoty parametru drsnosti profilu Ra, při posuvu f=0,05 mm/ot The values of the average arithmetic profile deviation Ra considered, which were determined for samples with turning feed 0.05 mm / rev. scope and depth of 0.5 mm are reported in Figure 3. Parameter values for Ra at longitudinally machined steel with process liquids were in the range from 0.55 µm to 1.05 µm, the roughness value 1.84 µm was measured without using the process liquid (marked in Figure OV). From the measured values it is evident that the use of process fluid had a significant impact on the resulting surface roughness of the workpiece. The lowest roughness Ra was showed by the fluid process Paramo SK 220. The highest roughness Ra was measured in contrast with the process liquid ERO AW, but this difference is not very large, liquid EOPS AW and ERO SB reached similar values. The difference between the maximum and minimum surface roughness value between process liquids was 91 %. This influence is caused by a creation of the built-up-edge that we created during machining Machined surface roughness used in the feed f = 0.10 mm /rev Fig. 4 Parameter values of roughness profile Ra, the feed f = 0.10 mm /rev Obr. 4 Hodnoty parametru drsnosti profilu Ra, při posuvu f=0,10 mm/ot 135

136 Here was used the feed f = 0.10 mm /rev see Figure 4, and parameter values for Ra with process liquids were in the range from 1.12 µm to 1.49 µm, the roughness value 3,55 µm was measured without using the process liquid. The lowest roughness Ra was showed by the fluid process Paramo SK 220. The highest roughness Ra was measured in contrast with the process liquid ERO AW, but this difference is not very large, liquid EOPS UNI and ERO AW reached similar values. The difference between the maximum and minimum surface roughness value in using process liquids was 32 % Machined surface roughness used in the feed f = 0.15 mm /rev Fig. 5 Parameter values of roughness profile Ra, the feed f = 0.15 mm /rev Obr. 5 Hodnoty parametru drsnosti profilu Ra, při posuvu f=0,15 mm/ot Parameter Ra at feed 0.15 mm /rev with using the process fluids was in the range from 3.27 µm to 3.91 µm, the roughness value 4,55 µm was measured without using the process liquid. From the measured values it is evident that the using of process medium had a big influence on resulting surface roughness of the workpiece.the lowest roughness Ra showed the process fluid SK 220 Paramo. On the contrary the highest roughness Ra was measured with the process liquids EOPS UNI and ERO SB. The difference between the maximum and minimum value of roughness with the use of process fluids was 19.6 %. Microgeometry of machined surface deteriorates Effect of feed on surface quality when using different process fluids 136

137 Fig. 6 Effect of feed on surface quality when using different process fluids Obr. 6 Vliv posuvu na jakost povrchu při použití různých procesních kapalin In the process liquid SK 220 an interesting result was achieved in turning, because this process liquid has reached the best results in terms of assessing the surface roughness Ra in all the feeds. It is interesting that the process fluid is recommended by the manufacturer primarily for cutting machining operations where it is not precisely defined geometryof tools, it also manages machining operations without problems, when working with instruments with precisely defined geometry, but only at machining materials with natural lubricity (grey and ductile cast iron) [10] Dependence of sensitivity coefficient C for different process fluids feeds 137

138 Fig. 7 Influence the sensitivity of process fluids to the surface quality when using different feeds Obr. 7 Vliv citlivosti procesních kapalin na jakost povrchu při použití různých posuvů Figure 7 shows the apparent sensitivity of the large influence of process fluids among feeds. The sensitivity coefficient C is a difference in the maximum value and minimum value of surface roughness Ra (see Fig. 3,4,5) during the using different feeds and different process fluids, but this factor does not reflect the air cooling OV. The greatest influence on feed sensitivity is 0.05 mm / rev. 5 Conclusion Surface roughness is one of the variables characterizing the quality of the machined surface. Of all the experiments it can be stated that using the process liquid to the surface roughness significantly better in all the feeds. The greatest sensitivity coefficient among process fluids is achieved at feed 0.05 mm/rev (see Figure 7). Used fluids improve surface roughness Ra (see Figure 6): The feed f = 0.05 mm /rev is to improve the surface roughness from 1.8 µm (no process fluid) to 1 µm (with the process fluid ). The feed f = 0.1 mm /rev is to improve the surface roughness from 3.6 µm to 1.4 µm. The feed f = 0.15 mm /rev is to improve the surface roughness from 4.6 µm to 3.3 µm. Among process fluids EOPS UNI, SB ERO, ERO AW and AW EOPS is not much difference in terms of surface roughness, these liquids are based on the terms of roughness similar to the process fluid, unlike SK 220 ( Fig. 3, 4, 5 ). When working with the process fluid it can be recommended process fluid Paramo SK 220, which is based in terms of arithmetic profile deviation Ra considered, at best see all the feeds Fig. 6. It is interesting here that this process liquid is recommended by the manufacturer primarily for cutting machining operations where it is not exactly defined tool geometry. Furthermore, during these tests it was found that the best arithmetic deviation Ra profile under consideration is obtained with a 0.05 mm feed (see Figure 6). The results of this work show that the process fluids and the built-up-edge have a big influence on the properties of the workpiece and on the technology of turning. ACKNOWLEDGEMENT This paper relates to the work on the SGS project which is financed by MŠMT ČR. Literature [1] BARTUŠEK, T. Účinek procesní kapaliny na technologii broušení a kvalitu obrobených součástí. [Diplomová práce]. Liberec: TU v Liberci, s. [2] LIEMERT, G., DRÁBEK, F., ONDRA, O., VAVŘÍK I., Obrábění, Praha 1974, 352 s., ISBN [3] KREMANOVÁ, B., MÁDL, J., RÁZEK, V., KOUTNÝ, V. Vývoj nových technologických kapalin na bázi prírodních surovin. Strojírenská technologie. Rec. I. Kvasnička. roč. 12, červen 2007, č. 2. s ISSN [4] MEČIAROVÁ, J., JERSÁK, J. Humánní aspekty používání procesních kapalin. Strojírenská technologie. Rec. J. Mádl. roč. XI, prosinec 2006, č. 4. s ISSN [5] NECKÁŘ, F., KVASNIČKA, I. Vybrané statě z úběru materiálu. Rec. J. Gazda. 1. vyd. Praha: ES ČVUT, s. ISBN [6] RÁZEK, V., MÁDL, J., KOUTNÝ, V. Metody zkoušení vlastností řezných kapalin. Strojírenská technologie. Rec. I. Kvasnička. roč. 8, září 2003, č. 3. s ISSN [7] REJZEK, M. Účinek procesní kapaliny na technologii soustružení a kvalitu obrobených součástí. [Bakalářská práce]. Liberec: TU v Liberci, s. [8] SANDVIK Coromant, Sandviken: Příručka obrábění - kniha pro praktiky. Překlad M. Kudela. -. vyd s. ISBN

139 [9] JERSÁK, J., REJZEK, M., Účinek procesní kapaliny na proces soustružení a vybrané parametry integrity povrchu. Strojírenská technologie. Rec. K. Vasilko. roč. 12, duben 2011, č. 2. s.k ISSN [10] Paramo, a.s., Katalog výrobků Paramo. [online] [cit. 1. listopad 2011]. Dostupné na: Abstract Article: Author: Výběr procesních kapalin od společnosti Paramo a.s. na drsnost povrchu při soustružení Workplace: Licek Roman, Ing. Popov Alexey, prof. Dr. Ing., Fakulta strojní, katedra obrábění a montáže, TU v Liberci Keywords: procesní kapaliny, drsnost, soustružení, nárůstek, posuv Procesní kapaliny jsou schopny ve skutečnosti významným způsobem zlepšit kvalitu povrchu strojních součástí. V současné době je na trhu k dispozici několik procesních kapalin od firmy PARAMO a.s., která je jedním z největších dodavatelů procesních kapalin v ČR. Tento příspěvek se zabývá posouzením procesních kapalin od firmy PARAMO a.s. z hlediska drsnosti obráběného povrchu při podélném soustružení. Experimentální měření bylo realizováno v laboratořích katedry obrábění a montáže na TU v Liberci. Soustružení probíhalo na vzorku z konstrukční oceli 16MnCr5. Ke zkouškám byl použit univerzální soustruh S1250 /1000 se soustružnickým nožem CTAPR 2020 K16 KT 834 osazený vyměnitelnou břitovou destičkou TPUN S30 ze slinutého karbidu. Pro experimenty byly použity různé druhy procesních kapalin od společnosti Paramo a.s. Pardubice. Koncentrace kapaliny byla kontrolovaná speciálním přístrojem refraktometrem Brix 0-18% ATC, s přesností ± 0,15%, hodnota koncentrace pro měření byla udržována na 4 % hranici. Procesní média byla posuzována z hlediska pohledu vlivu na jakost obrobeného povrchu, kde byla hodnocena drsnost povrchu. Drsnost povrchu patří mezi veličiny charakterizující kvalitu obrobeného povrchu. Ze všech experimentů je možné konstatovat, že z hlediska drsnosti povrchu v závislosti na posuvu existuje velký rozdíl obrábění s procesní kapalinou a bez procesní kapaliny. Při obrábění s procesní kapalinou, lze doporučit procesní kapalinu Paramo SK 220, která vychází z hlediska aritmetické úchylky posuzovaného profilu Ra nejlépe při všech použitých posuvech. Dále při těchto zkouškách bylo zjištěno, že nejlepší aritmetické úchylky posuzovaného profilu Ra se dosáhne při posuvu 0,05 mm. Uživatelé procesních kapalin mohou tyto výsledky úspěšně používat v praxi. Tento článek souvisí s řešením projektu SGS, který je podporován MŠMT ČR. 139

140 Laser Machining of Materials Prof. Imrich Lukovics, MSc., Ph.D. Department of Production Engineering, Faculty of Technology, Tomas Bata University in Zlín, Nad Stráněmi 4511, , Zlín, Czech Republic, Martina Malachova, MSc., M.A. Technical University of Ostrava, Faculty of Mechanical Engineering, 17.listopadu 15/2172, Ostrava-Poruba, , Czech Republic, Abstract A paper deals with technological applications of laser. It evaluates the influence of design and technological conditions on output parameters of cutting process and also presents relative laser machinability of materials; in addition, it shows possible evaluation of structural change of metals and it gives mathematical model for determination laser cutting quality functions based on results of the experimental research. The temperature distribution has been derived. Results of plastic materials and hard-to-machining metals machinability are shown. Finally, surface quality evaluation after exposure to concentrated light energy and quantification of material microhardness are described. Key words: laser machining, technological conditions, simulation. 1. Introduction Laser, a tool of the future and one of the greatest inventions in modern physics, is a quantum amplifier of electromagnetic wave motion based on mutual interactions of mass and radiation. This short definition determines laser for the field of material cutting and heat treatment. Laser cutting is a new attractive process for contour cutting thin sheet. Technological problems related to the application of laser cutting are in insufficient knowledge of the laser technique application as well as due to absence of sufficiently reliable practical data and knowledge about the parameters influencing the work process itself. It is based on the precise sheets cutting by focused laser beam. By combining the laser beam and machine providing motion, in addition to the applied numerically controlled system, it is possible to provide for a continual sheet cutting along the predetermined contour. During laser year laser has spread in almost all fields of science, engineering and art. The development in field of the laser technology has led to increase of investments for technological lasers used in manufacture when comparing with investments for purchase of laser for research. This way technological laser has come to the production. The thermal process is described by FourierKirchhoff differential equation. In the thermal balance, the most prominent component is the heat transferred into the piece of work, which is related both with the distribution and intensity of the individual sources of heat and the practically zero conductivity of the tool material. In cutting, the thermal field of chips, tool and piece of work is generally non-stationary. In theory, it is possible to define the heat distribution by solving the general differential equation of heat conduction in solids, which, in view of the time and space limitations in the piece of work, allows for different solutions for various marginal conditions. 2θ 2θ 2θ θ = λ t y z x λ is the coefficient of heat conductivity of ground materials [W.m-1.K-1] The thermal conductivity of thermoplastic materials is ( ) times less then metals. That fact causes that plastics keep high differences of temperatures between external and internal layers. The results are presented in the following pictures.the workplace in UTB Zlin (continual output 100W ) is able to monitor the effect of technological conditions on the output parameters of laser cutting. At present, the work on completing this equipment continues. In the design and production areas we have implemented and tested device for cutting samples during rotation, which can bring some effect when put into practice, and a device for laser cutting materials in different angles, which enables to measure reflectance of the laser beam during angular cutting. Machinability can be defined as a final effect of physical properties and chemical composition of machined materials on the economical and quantitative results. Machinability is specified by the degree of machinability. Material has a better machinability relative to other material the machining time is shorter, the energy consumption is lower, and the better is final surface quality as to geometrical aspects of quality and residual stress. In order to assess the laser machinability the relations between technological conditions and cutting results have to be taken into the consideration. 140

141 Laser cutting results are affected by lots of technological conditions that could be specified as follows: 1. Laser beam that is specified by: a) power b) stability c) wave length d) TEM mode e) polarization f) focus length g) diameter of laser spot and its position h) continual or pulsed radiation 2. Feed 3. Laser beam position (slope of laser beam) 4. Active gas that is specified by: a) chemical composition b) pressure c) temperature 5. Physical-mechanical properties and chemical composition (reflectivity, thermal conductivity, capacitance heat, latent heat, viscosity of melt, vapour pressure, enthalpy, etc.). 6. Slag (its chemical composition, state, viscosity, surface stress, ejection rate). The result of these effects is laser-machined surface that is specified as follows: 1. Either depth of cut or machined sheet thickness 2. Micro and macrogeometry surface quality in longitudinal and transversal direction and size of heat effected zone. 3. Width of kerfs 2. Laser workability of materials Fig.1 Mate Fig.1 Laser workability of some polymers Defining and determining of laser workability is a big problem. More workplace for laser cutting determines possessiveness that 15 input variables, further on by time and space variable physically - mechanical and chemical properties of machined material, scoria and the fact, that during the cutting plasma arises. According to our experience it is the most advantageous to define the laser workability with the help of isometric h-v of P-v diagrams. They are describes dependence between depth of cut (h) on laser cutting speed for some metals for range of power (P). Relative laser workability has been defined. It is characterised with the depth of the depth of the cut related to the unit width of the cut and unit output. 141

142 Fig.2 The structural changes in metal The results of the experiments so show very good relative workability of materials and composites whose particles do not tend so separate during the process. If technological conditions (moving speed of the laser head, the beam output, mode parameters of the optics) are optimized, a good quality of the cut can be reached for both metals and plastics. In case of polymers (plastics and rubber), the surface modification is completely different. During exposition of polymeric material (PP, PS, PE, PC, PVC, PA) samples to concentrated energy, the surface layer degrades and the strength of the samples derogate. On the other hand, PMMA and metal are influenced in a different way. When the output (and therefore heat) increases, the metal material surface is heated above modification temperature. It causes structural transformations in surface layer. The result is a hardened surface layer of the metal and improved strength of samples. During the interaction of laser with matter, complicated phenomena such as structural changes occur. These changes are shown in Figure 2. The depth of hardened layer is measured by Hahnemann hardness tester and metallographic microscope. The effect of the laser beam upon PMMA is of interest, too. Due to the layer structure modifications, the surface hardness rises, flaws and creases are healed and as the result of this the sample strength increases. Due to the activity of high concentrate energy and at the same the high temperature, PMMA depolymerise and it rise an amount of radicals at the end of the polymer strings. Thanks to existing of radicals and minor amount of monomer, it raises a net structure here and so the layer strength increases. The strength of the machined layer depends on the time of interaction, too. Longer time of the laser beam contact to material imports better material strength and hardness. This phenomenon is typical for plastics and it can be useful in special tools manufacturing. Fig. 3 Effect of the feet rate on the roughness Building of power reactors, petro-chemical plants, petro-chemical equipment, transport, especially air-traffic as well as equipment for food-processing industry require new high-end constructional materials with extra strength of physical and chemical resistance. Machining of these difficult-to-machine materials brings many serious difficulties. It is necessary to use machine-tools with high stiffness and with close clearances of feedworks, supports and bearings of spindles. Fixturing of special sharpening tools and workpices must guarantee high stiffness of machining assembly. Experimental results of cutting of materials are shown in Figure

143 Fig. 4 Relative laser machinability of the materials Necessity of machining these materials leads to new unconventional machining techniques. The most suitable method for cutting operations is laser machining due to specific properties of laser beam. There are no tool wear, cutting forces, and the CNC control can be use in wide range. Moreover, the laser machinability is affected by machining material properties vice versa in comparison to conventional machining. 3. Conclusion Laser beam is the tool of the future. It can cut without affecting the surrounding material. Its energy is clean, reliable and docile it s ready to be tamed and handled to give an unequalled quality to the process. Quality of cut depends from working parameters of laser cutting process (laser power, feed rate, material thickness.) The results of the experiments so show very good relative workability of hard workable materials and composites whose particles do not tend so separate during the process. If technological conditions (moving speed of the laser head, the beam output, mode parameters of the optics) are optimised, a good quality of the cut can be reached for both metals and plastics. The model LASER interaction with thermoplastic material is possible. The result area of the high temperature respectively its gradients are narrow after passing of through the LASER ray. The width of the thermal influence area is only a minimal depends on the cutting speed. The high temperature gradients induce both short time transient thermal stress values and residual tension at the cut proximity. References [1] Halaška, P., Maňas, M., Slobodian,P (2002).: Laser cutting optimalilization of the polymeric plates and films.in.:42nd Science Week Laser Science and Applications, University OF Aleppo, Syria, p.80. [2] Hrabčáková, I., Fabian, S. (2006): Kvantifikace vlivu technologických parametrů na parametry kvality při řezání laserem. Strojírenská technologie XI. ISSN , s [3] Hugel, H. et al.(1992) Strahlwerkzeug Laser. B.B. Teubner, Stuttgart. [4] Lukovics, I., Maňas, M. (1996): Možnosti využití laseru a paseru pro zpracování polymerů. Plasty a kaučuk roč.33, č.8, s [5] Lukovics, I., Sýkorová, L. (2003): Laser Machinability of Polymers and Difficult-to-machine Materials. In: Manufacturing Technology III. ISSN , s [6] Maňková, I. (2000): Progresívné technologie, Vienala Košice. [7] Sýkorová, L. (2001): Výzkum obrábění nekovových materiálů laserem. Disertační práce.vut FSI Brno. [8] Sýkorová, L., Lukovics, I. (2008): Optimalizace vstupních parametrů a ekonomické aspekty laserového popisování knižních vazeb. Strojírenská technologie XIII/2. ISSN , s [9] Sýkorová, L., Shejbalová, D., Lukovics, I. (2005): Laser Workability and Surface Quality Characteristic of Plastics. Manufacturing Technology V. ISSN , s [10] Turňová, Z. Lošák, G.: Safety of Laser Technologies. In.: New Ways in Manufacturing Technologies TU Košice, FVT Prešov, 2004, p , ISBN

144 144

145 Metodika sledování délkové roztažnosti a stanovení součinitele teplotní roztažnosti vybraných slévárenských slitin Machuta Jiří, Ing. Ph.D. Fakulta strojní, Katedra strojírenské technologie, TU v Liberci Nová Iva, prof. Ing. CSc., Fakulta strojní, Katedra strojírenské technologie, TU v Liberci Kovy a slitiny kovů vykazují nejrůznější vlastnosti, které jsou dány především jejich chemickým složením a strukturou. Při posuzování použitelnosti kovů a jejich slitin v technické praxi dělíme tyto vlastnosti na fyzikální, chemické, mechanické a technologické. Jednou z vlastností, která má velký význam pro technickou aplikaci kovů a jejich slitin je právě teplotní roztažnost. Tato fyzikální vlastnost je důležitá u materiálů, které jsou při své funkci tepelně zatěžovány. K těmto materiálům se řadí některé slitiny hliníku, litiny, oceli atd. Jak je technické veřejnosti známo, ke sledování teplotní roztažnosti látek slouží přístroje zvané dilatometry, které mohou být různých konstrukcí např. podle tvaru zkušebního vzorku. Sledováním tepelně fyzikálních vlastností, včetně teplotní vodivosti vybraných technických materiálů a stanovení součinitele teplotní roztažnosti (smrštivosti) se v poslední době zabýváme na našem pracovišti Katedře strojírenské technologie, FS TU v Liberci. Klíčová slova: Délková teplotní roztažnost, součinitel teplotní roztažnosti, fyzikální vlastnosti 1 Fyzikální podstata teplotní roztažnosti kovů Vysvětlení teplotní roztažnosti kovů úzce souvisí s vnitřní strukturou materiálu, v tomto případě to jsou kmity atomů, které vznikají v důsledku tepelného zatížení materiálu. Jak je obecně známo, při teplotě absolutní nuly, jsou atomy kovů v rovnovážné vzdálenosti parametru a krystalické mřížky a také krystalická mřížka za těchto podmínek má určitou rovnovážnou energii, která odpovídá pružným napětím. Se vzrůstající teplotou při konstantním tlaku atomy více kmitají kolem rovnovážných poloh v krystalické mřížce. Tím se od sebe uzlové body mřížky vzdalují, a tento jev se nazývá tzv. teplotní roztažnost kovů. Energii potřebnou na kmitání atomů (resp. kationtů za předpokladu, že kovy jsou vodiče a elektrony tvoří elektronový mrak oddělený od atomů) mřížka získává ohřevem z teplejšího okolí. Při tomto ohřevu vznikají především objemové změny materiálu. Tyto změny způsobené zvýšením teploty při konstantním tlaku lze vyjádřit součinitelem objemové roztažnosti: γ= 1 V.( ) p, V T (1.1) kde značí: V objem tělesa; V přírůstek objemu; T přírůstek teploty. Součinitel objemové roztažnost γ se velmi špatně experimentálně zjišťuje, z tohoto důvodu je větší pozornost zaměřena na sledování délkové roztažnosti látek. Součinitel teplotní délkové roztažnosti α lze stanovit na základě rovnice pro teplotní délkovou roztažnost: 1 l )p, l T α= ( (1.2) kde značí: α součinitel délkové roztažnosti; l délku měřeného tělesa; l přírůstek délky tělesa; T přírůstek teploty tělesa. 145

146 U izotropních materiálů činí hodnota součinitele délkové teplotní roztažnosti jednu třetinu objemové roztažnosti (α= γ /3). Celková změna rozměru délky při ohřevu tělesa z teploty T0 na teplotu T1 je dána vztahem: T1 l = l 0. exp( α (t ).dt, (1.3) T0 Pro podmínky α = konst. se rovnice (1.3) zjednodušuje do tvaru: l = l0. exp[α (T1 T0 )], (1.4) Pro malé hodnoty součinitele teplotní roztažnosti α <10-4 [K-1], lze experimentálně rozložit do řady a omezit se na první členy rozvoje: l = l0.[1 + α (T1 T0 )], (1.5) kde značí: l0 - počáteční délku sledovaného tělesa; T1 - okamžitou teplotu tělesa; T0 počáteční teplota tělesa. Rovnice (1.5) má uplatnění v technické praxi pro vyjádření teplotní roztažnosti probíhající v malém intervalu teplot cca 30 C, max. 50 C. Pracujeme-li ve větším teplotním rozsahu, pak je třeba použít parabolický rozvoj pro stanovení výsledné délky zahřívaného (dilatujícího tělesa): [ ] 2 l = l0 1 + α1 (T1 T0 )1 + α 2 (T1 T0 ), (1.6) kde značí: α1 součinitel teplotní roztažnosti pro nižší teploty tělesa; α2 součinitel teplotní roztažnosti pro vyšší teploty tělesa. Pro fyzikálně důležité látky, tj. především pro kovy a jejich slitiny, jsou hodnoty součinitele teplotní roztažnosti tabelovány. Jsou-li známé závislosti délky na teplotě, lze derivací vypočítat teplotní roztažnost: α= 1 l 1 l l. =. 1 0, l 0 T l 0 T1 T0 (1.7) Po matematické úpravě vztahu (1.7) lze získat rovnici pro stanovení změny délky v důsledku teplotní roztažnosti tělesa: l = l 0.α.(T1 T0 ), (1.8) V případě materiálů anizotropních se zavádí dva součinitele teplotní roztažnosti a to ve směru hlavní osy tělesa (α1) a součinitel (α2) ve směru kolmém. Na základě těchto dvou hodnot se zavádí tzv. průměrný součinitel teplotní roztažnosti: [α* = (α1+2α2)/3]. Hodnoty tohoto součinitele se u polykrystalických materiálů shodují s hodnotami měřené délkové roztažnosti. Obecně platí, čím je vyšší hodnota teploty tání, tím nižší je hodnota součinitele teplotní roztažnosti. Hodnoty délkové roztažnosti u kovů se pohybují okolo 10-6 [K-1] a jsou tím větší, čím je nižší teplota tání. V tabulce 1 jsou uvedeny hodnoty teplotní roztažnosti a teploty tavení vybraných kovových materiálů. 146

147 Tab. 1 Hodnoty součinitele teplotní roztažnosti (α) a teploty tavení vybraných kovových materiálů [1],[2],[8] Tab. 1 Values of coefficient of thermal expansion (α) and melting temperatures of selected metallic materials[1],[2],[8] Hodnota teplotní roztažnosti Kovový materiál [K-1] Hodnota teploty tání [ C] Interval teplot [ C] Hliník 99,0 % 20 až , AlSi12 20 až , Fe 99,0 % 20 C 11, LLG 20 C 12, Zinek 99,0 % 20 až , ZnAl4Cu1 20 až , Měď 99,0 % 20 až , Platina 99,0 % 20 až 100 9, Molybden 20 až 100 2, Chrom 20 až 100 6, Wolfram 20 až 100 4, Nikl 20 až , Kobalt 20 až , Vanad 20 až 100 6, Titan 20 až 100 8, Z obecných vztahů vyplývá, jak uvádí PÍŠEK [2] 2. vydání, že teplotní roztažnost je také přímo úměrná Youngovu modulu pružnosti, atomovému objemu, je tedy funkcí atomového čísla. Jak je technické veřejnosti známo, ke sledování teplotní roztažnosti látek slouží přístroje dilatometry, které mohou být různé konstrukce např. podle tvaru zkušebního vzorku. Vlastní konstrukce těchto zařízení není nadměrně náročná, především když základním prvkem jsou materiály o malé teplotní dilataci. Náročné je sestavení registrační jednotky naměřených hodnot a jejich převodu do digitální podoby. Tím jsou tato zařízení poměrně finančně náročná. 2 Experimentální sledování teplotní roztažnosti a výpočet součinitele teplotní roztažnosti vybraných slévárenských slitin Záměrem těchto experimentů bylo stanovení součinitele teplotní roztažnosti používaných slitin kovů, jejichž hodnoty nejsou tabelovány. K tomuto účelu byl použit dilatometr, jehož schéma je na obr. 1. K měření dilatace byly použity materiály, které se používají v automobilovém průmyslu (slitina AlSi12CuMgNi a LKG litina s kuličkovým grafitem). Teplotní roztažnost vzorků z LKG byla sledována na dvou typech vzorků, jedním typem byly vzorky litiny po odlití a druhým typem byly vzorky po tepelném cyklickém namáhání. Z těchto materiálů byly vyrobeny zkušební vzorky pro měření teplotní roztažnosti Ø 8x50 mm, současně byl použit etalon z platiny, jehož hodnota teplotní roztažnosti je známa a činí [K-1]. Dále byla sledována teplotní roztažnost dalších dvou materiálů čisté mědi a její slitiny Cu-Ni-Al. Na základě dilatačních měření vzorků a výše použitých fyzikálně-tepelných vztahů byla vypracována metodika, jak stanovit hodnoty součinitele teplotní dilatace. K měření dilatace byl použit křemenný laboratorní dilatometr, který je k dispozici na našem pracovišti KSP TU v Liberci. Zkušební vzorky byly v dilatometru ohřívány rychlostí 3 C.min-1 postupně od teploty 20 C do teploty 900 C. Na obr. 2 a 3 jsou uvedeny závislosti teplotní roztažnosti na teplotě. Na základě vztahu(2.1) byly z těchto závislostí vypočítány hodnoty součinitele teplotní roztažnosti α: α= l, l 0. T (2.1) kde značí: l0 počáteční délku vzorku [mm], Δl změnu průměru vzorku [mm], ΔT rozdíl teplot [ C]. 147

148 Obr. 1 Schéma použitého dilatometru zkonstruovaného na KSP TU v Liberci Fig. 1 Scheme of used dilatometer constructed at KSP TU of Liberec Závislost dilatace na teplotě 0,40 0,35 Dilatace [mm] 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0, Teplota vzorku [ C] Obr. 2 Teplotní závislost dilatace vzorku Ø 8 x 50 mm ze slitiny AlSi12CuMgNi (pozvolný ohřev vzorku) Fig. 2 Temperature dependence of the sample dilation Ø 8 x 50 mm alloy AlSi12CuMgNi (the gradual heating of the sample) 148

149 1 platina (etalon), 2 LKG bez tepelného zatížení, 3 LKG s tepelným zatížením Obr. 3 Teplotní závislost dilatace vzorku Ø 5 x 50 mm na teplotě (pozvolný ohřev vzorku) Fig. 3 Temperature dependence of the sample dilation Ø 5 x 50 mm (the gradual heating of the sample) V tabulce 2 jsou uvedeny hodnoty součinitele teplotní roztažnosti pro sledované materiály. Tab. 2 Hodnoty součinitele teplotní roztažnosti (α) a teploty tavení vybraných kovových materiálů Tab.2 Values of coefficient of thermal expansion (α) and melting temperatures of selected materials Hodnoty součinitele teplotní roztažnosti α [K-1] LKG po Rozmezí LKG tepelném Cu Cu-Ni-Al teplot [ C] ASi12CuMgNi po odlití Platina zatížení , , neměřeno , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , neměřeno 11, , , , , neměřeno 10, , , , , neměřeno 11, , , , , neměřeno 10, , , , , Závěr Součinitel teplotní roztažnosti α slévárenských slitin je důležitou fyzikální hodnotou, která přispívá k použitelnosti těchto materiálů např. při konstrukci spalovacích motorů. Litina s kuličkovým grafitem vykazuje poměrně nízkou hodnotu tohoto součinitele, podobně i slitina AlSi12CuMgNi, která se používá pro odlévání pístů spalovacích motorů. Její hodnota je o poznání nižší, než je hodnota pro čistý hliník. Nízká hodnota součinitele teplotní roztažnosti je velmi důležitá u materiálů, ze kterých se vyrábí např. písty spalovacích motorů. Také nízká hodnota tohoto součinitele musí být u protikusů, resp. vložek válců těchto pístů. Vložky válců často bývají z litiny s lupínkovým grafitem. Též bylo potvrzeno, že slitiny, které mají nižší teplotu tání, vykazují vyšší hodnotu součinitele teplotní roztažnosti. Příspěvek vznikl s podporou projektu TUL SGS

150 Literatura [1] KUCHAŘ, L., DRÁPALA, J.: Tabulky vybraných vlastností kovů. VŠB Ostrava [2] PÍŠEK, F. a kol.: Nauka o materiálu I (Nauka o kovech 3. svazek Neželezné kovy), druhé, rozšířené, zcela přepracované vydání. Praha, [3] KALOUSEK, J., KALOUSKOVÁ, G., HOLUBEC, Z.: Fyzikální chemie metalurgických procesů. [Skripta]. FS,VŠST Liberec [4] PETRŽELA, L.: Slévárenské formovací látky. 1. vyd. Praha [5] RUSÍN, K.: Formovací hmoty. [Skripta]. Praha [6] NOVÁ I.: Tepelné procesy ve slévárenských formách, TU v Liberci [7] MEDVĚDĚV, J. I.: Gazy v litějnoj forme. 1. vyd. Moskva [8] ČERNOCH, S.: Strojně technická příručka. Třetí, upravené vydání, Praha [9] MACHUTA, J.: Sledování vlastností formovacích a jádrových směsí během jejich tepelného namáhání [Disertační práce], FS- TU v Liberci, Liberec [10] JERSÁK, J., MLYNÁŘ, J.: Metodika zkoušek obrobitelnosti hliníkových slitin. Strojírenská technologie XIII červen 2008, str , ISSN [11] MICHNA, Š., VOJTĚCH, D., MAJRICH, P.: Problematika kvality AI taveniny pri lití automobilových disku. Strojírenská technologie XIII září 2008, str.17-23, ISSN Abstract Article: Methodology for monitoring of linear thermal dilatation and determination coefficient of thermal dilatation of selected foundry alloys Author: Machuta Jiří, M.Sc., Ph.D. Nová Iva, Prof., M.Sc., Sc.D. Workplace: Faculty of Mechanical Engineering, TU of Liberec Faculty of Mechanical Engineering, TU of Liberec thermal dilatation, coefficient of thermal dilatation, physical properties Keywords: Metals and metal alloys show various properties that are mainly due to their chemical composition and structure. In the considering of applicability metals and their alloys in engineering practice we divide these properties to physical, chemical, mechanical and technological. One property that is very important for technical applications of metals and their alloys is just thermal dilatation. This physical property is very important for materials that are during their function loads of the heat. Equations reflect the development calculations of physical dependencies values leading to the real calculation of the coefficient of thermal dilatation and the possibility of entries. Equation 2.1 shows the relation used to calculate the coefficients of thermal dilatation for the experimental measuring of this article. Table No. 1 shows values of coefficient of thermal expansion α and melting temperatures of selected metallic materials. Figure No. 1 shows scheme of used dilatometer constructed at KSP TU of Liberec. Figure No. 2 shows temperature dependence of the sample dilation Ø 8 x 50 mm alloy AlSi12CuMgNi during the gradual heating of the sample. Figure No. 3 shows temperature dependence of the sample dilation Ø 5 x 50 mm during the gradual heating of the sample too. Table No. 2 shows values of coefficient of thermal expansion α and melting temperatures of selected materials. These materials include some of the aluminium, iron, steel, etc. For monitoring of thermal dilatation materials used devices called dilatometer. This device may be of various constructions such as the shape of the sample. By monitoring the thermal physical properties, including thermal conductivity of selected technical materials and determination of coefficient of thermal dilatation (Shrinkage) has recently deal with in our department - the Department of Engineering Technology, FS TU of Liberec. 150

151 Application of Progressive Materials for Rapid Prototyping Technology Ing. Ľudmila Nováková-Marcinčinová, Ing. Miroslav Janák, PhD. Faculty of Manufacturing Technologies, Technical University of Košice, Bayerova 1, Prešov, Slovakia In this contribution there are basic information presented about materials that are common or progressive and used for creation of products by application of Rapid Prototyping technology. Material in initial state can be solid, liquid or powder. In solid state it can be available in different forms such as pellets, wire or laminates. The current materials include paper, nylon, wax, resins, metals and ceramics. These materials are mostly used in application of Rapid Prototyping technology for rapid manufacturing of products or tools, what is known as Rapid Tooling. Key words: rapid prototyping, rapid prototyping materials, rapid manufacturing 1 Introduction To meet the wide demands of product designers and development engineers, prototyping materials present important connection between product design validation and product development process efficiency. Product developers and OEMs understand the great value of time. Time-to-market can be dramatically reduced if prototype-to-production bridge materials mirror production material specifications. It is usually unpractical to design and produce new hard tools for production of few new parts. Their production is costly and time consuming. Design process and engineering checks and simulations could quickly use planned budget, time and patience, which could be used somewhere else. 2 Basic Rapid Prototyping technologies Rapid Prototyping of physical models (also known as solid freeform manufacturing, desktop manufacturing, layer manufacturing technology) presents the new step in the area of prototyping processes. The invention of this series of Rapid Prototyping methodologies is considered to be a groundbreaking moment because of great time savings, especially when talking about models that are rather more complicated. With the parts (single models) that are for example three times as complex as parts that used to be made in 1970s, the time that is required to produce such a part now presents only three weeks. Since 1988 until today, over twenty different rapid prototyping methods have developed [3]. Stereolithography (SLA), the first process of Rapid Prototyping, was developed by 3D Systems of Valencia, California, USA, founded in A vat of photosensitive resin has a platform that moves vertically. The part under construction is supported by the platform that moves downward by a layer thickness (usually around 0.1 mm / inches) for each layer. Then a laser beam traces out the shape of individual layer and hardens the photosensitive resin. Stereolithography though requires the use of support parts for attaching the part to the platform of the elevator and to prevent some geometry from deflection caused by gravity, and also for accurate holding of the 2-D cross sections in position that provides the space for resisting the lateral pressure from the re-coater blade. Supporting elements are generated automatically while preparing the 3-D CAD models for use on the stereolithography machine, although they may be manipulated manually. Then they need to be manually removed from the finished product; what is not true for all Rapid Prototyping technologies. Stereolithography has many common names such as: 3D printing, optical fabrication, photo-solidification, solid free-form fabrication and solid imaging. One of the appealing aspects about SL is that a functional part is usually created within one day. The length of time of course depends on the size and complexity of created model and can take from a few hours to more than one day. SL machines usually produce parts with a maximum size of 50 cm x 50 cm x 60 cm (20" x 20" x 24"). Prototypes that are manufactured using this technology can be very useful as they are strong enough even for machining and they can also be used as master patterns for injection moulding, thermoforming, blow moulding, and also in various metal casting processes [6]. Fused Deposition Modelling (FDM) was originally developed by Stratasys in Eden Prairie, Minnesota. In this technology, a plastic or wax material is extruded through a nozzle which follows the geometry of cross sections of produced part layer after layer. The build material is usually supplied in form of filament, but there are machines that utilize plastic pellets that are fed from a hopper container. The nozzle includes resistive heaters that keep the temperature of plastic just above its melting point so it can easily flow through the nozzle to form particular layers. Hardening of the plastic happens immediately after flowing out from the nozzle and material is bonded to the layer below. After complete building of the layer, the platform gets lower, and the process of extrusion of another layer starts. The layer thickness and by that also the accuracy of vertical dimension is conditioned by the diameter of extruder die, which can have values from to inches. In the X-Y plane we can achieve resolution of inch. A wide range of materials is available such as ABS, polyamide, polycarbonate, polyethylene, polypropylene, and investment casting wax [7]. Ink-Jet Printing presents utilization of machines that employ ink-jet technology. The first was 3D Printing (3DP), developed at MIT and licensed to Soligen Corporation, Extrude Hone, and others. The ZCorp 3D printer, produced by Z Corporation of Burlington, MA, is a typical example of this technology. Parts are built on a platform situated in a bin that is full of powder material. An ink-jet printing head then selectively deposits (prints) a binder fluid that fuses the 151

152 powder together exactly in desired areas. Powder that is unbound remains as support material of built part. The platform then lowers, more powder is added and levered, and the process can repeat. In the end, the part (typically of green color) is removed from the powder while excess unbound powder is blown off. Finished parts are often processed. They can be infiltrated with wax, CA glue, or other sealants to improve the durability and surface quality. Typical layer thicknesses are on the order of 0.1 mm. This process is very fast, but produced surfaces are usually bit grainy. ZCorp uses two kinds of materials, a starch based powder (not very strong, but with possibility to be burned out, for investment casting applications) and ceramic powder. There are also machines with 4 colour printing available [1]. 3 Progressive Rapid Prototyping technologies Direct metal laser sintering (DMLS) presents an additive metal fabrication technology developed by EOS from Munich, Germany, sometimes also known under the terms selective laser sintering (SLS) or selective laser melting (SLM). The process means use of a 3D CAD model with subsequential creation of a.stl file and its sending to the software of prototyping machine. An operator deals with this model to ensure proper orientation of relevant the geometry prior to building of part and adds supports structure where appropriate. Once the "build file" is completed, the slices are created with the layer thickness that is provided by machine and they are downloaded to the DMLS machine which starts the building process. The DMLS machine uses a high-powered 200 watt Yb-fiber optic laser. In area of building chamber, there is a platform that dispenses the material and another platform with a recoated blade used for moving new powder over the building platform. The technology fuses metal powder into a solid part by melting it locally using the focused laser beam. Particular segments are built up additively layer after layer, with typical thickness of the layers about 20 micrometers. This technology provides the possibility of creation of highly complex geometries directly from the 3D CAD data, in fully automatic mode, taking only hours and without need of tooling process. DMLS is a process for production of parts with high accuracy achieved with detail work resolution, good quality of created surface and very decent mechanical properties. DMLS has many advantages in comparison to traditional manufacturing techniques. Among most obvious there is speed, as no tooling process is required so the parts can be built in hours. Additionally, DMLS allows for more rigorous testing of prototypes. Since most alloys can be used within this technology, prototypes present functional hardware made out of the same material as regular production components. DMLS is also one of the few additive manufacturing technologies being used in production. Since the components are built layer by layer, there is possibility to design some internal features and elements which could not be cast or otherwise machined. Complex geometries and assemblies with multiple and difficult components can be easily simplified to few parts with assembly that is more economic. DMLS does not require special tooling like castings, so it is convenient for short production runs. Therefore it is used for creation of models concerning variety of industries including aerospace, dental, medical and other industries that utilize small to medium size, very complex parts and the tooling industry to make direct tooling inserts. With a build envelop of 250 x 250 x 185 mm, and the option to grow more parts at once, DMLS is a very cost and time effective technology. The technology can be used both for purposes of rapid prototyping, as it rapidly decreases the time needed for new products development, and also as production manufacturing because of ability to save the costs and to simplify assemblies and complex geometries. Currently available alloys are 17-4 and 15-5 stainless steel, maraging steel, cobalt chromium, inconel 625 and 718, and titanium Ti6Alv4. Almost any alloy metal can be used in this process once fully developed and validated [2]. Electron beam melting (EBM) is another kind of additive manufacturing for creation of metal parts. It also can be classified as a method of rapid manufacturing. Parts are created by melting metal powder layer per layer using an electron beam in an environment with vacuum. Unlike some metal sintering techniques, produced parts are fully dense, void-free, and extremely strong. Directly from metal powder, this technology offers creation of fully dense metal parts with characteristics of the target material. The EBM machine works with data from a 3D CAD model and lays down individual layers. They are melted together using a computer controlled electron beam. Whole process is realized under vacuum, what open space for manufacturing of parts from reactive materials with a high affinity for oxygen, e.g. titanium. Melted material is from a pure alloy powder (no filler). Because of that, this technology doesn't require additional thermal treatment to provide the parts with full mechanical properties. That aspect means big advantage, as competing technologies like SLS and DMLS require thermal treatment after fabrication. In comparison with SLM and DMLS, EBM has a generally superior build rate because of its higher energy density and scanning method. The EBM process operates at an increased temperature, usually between 700 and C, producing parts that are free from residual stresses, and eliminating the need for heat treatment. Melt rate: up to 80 cm3/h. Minimum layer thickness: 0.05 millimetres ( in). Tolerance capability: +/- 0.2 mm. This technology was developed by Arcam AB in Sweden. For great results with titanium alloys, this technology presents suitable choice for the medical implant market. CE-certified acetabular cups are in series production with EBM since 2007 by two European orthopedic implant manufacturers, Adler Ortho and Lima-Lto. The acetabular cups are manufactured with integrated, engineered trabecular structures for enhanced osseointegration, and more than cups have been implanted already. LENS (laser engineered net shaping) is a technology developed by Sandia National Laboratories for fabricating metal parts directly from a Computer Aided Design (CAD) solid model by using a metal powder injected into a molten pool created by a focused, high-powered laser beam. A high power laser is used to melt metal powder supplied coaxially to the focus of the laser beam through a deposition head. The laser beam typically travels through the center of the head and is focused to a small spot by one or more lenses. The X-Y table is moved in raster fashion to fabricate each layer of the object. The head is moved up vertically as each layer is completed. Metal powders are delivered and dis 152

153 tributed around the circumference of the head either by gravity, or by using a pressurized carrier gas. An inert shroud gas is often used to shield the melt pool from atmospheric oxygen for better control of properties, and to promote layer to layer adhesion by providing better surface wetting. This process is similar to other 3D fabrication technologies in its approach in that it forms a solid component by the layer additive method. The LENS process is unique since it can go from raw material directly to metal parts, in many cases, without any secondary operations. It can produce parts in a wide range of alloys, including titanium, stainless steel, aluminium, and other specialty materials; as well as composite and functionally graded materials. Primary applications for LENS technology include repair & overhaul, rapid prototyping, rapid manufacturing, and limited-run manufacturing for aerospace, defence, and medical markets. Microscopy studies show the LENS parts to be fully dense with no compositional degradation. Good mechanical properties are confirmed with outstanding results of mechanical testing [8]. Fig. 1 Application of LENS (laser engineered net shaping) technology 4 Basic and progressive Rapid Prototyping materials Proven commercial applicability of composite stereolithography (SL) materials and their good introduction have paved a new path toward expanded performance capabilities and enhanced versatility of the SL process. In particular, increasing attention is being given to composite materials' potential in rapid tooling and rapid manufacturing applications. Historically, the range of properties that can be achieved by SL materials has been limited to formulations of UVcurable resins, typically based on epoxy and acrylate chemistry. While the physical performance of engineering thermoplastic materials remains the industry benchmark, achieving such results with crosslinked, thermosetting SL resins is a difficult task. Development of SL products that optimally balance heat resistance, stiffness and toughness, and impact strength in a single material has proven elusive with neat, liquid formulation building blocks. The introduction of composite additives has been evaluated and discussed over a number of years dating back to the early 1990s, when DuPont presented information on a material targeted for investment casting that would include hollow spheres. The first commercial composite SL material for rapid prototyping, however, was not widely available until 2002 when DSM Somos (New Castle, DE) introduced ProtoTool 20L, a highly filled SL material. Composite SL materials are dramatically increasing the application potential for stereolithography and, in particular, rapid tooling applications, due to their high heat resistance and improved stiffness. With effort of engineers, the advantages of these materials are continuously being discovered because of their suitable properties. Fused Deposition Modelling presents typical RP process with creation of prototypes using ABS plastic. FDM produces the highest-quality parts in Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS) which is a common end-use engineering material that allows you to perform functional tests on sample parts. FDM process is a filament based system which feeds the material into the heated extrusion head and extruding molten plastic that hardens layer-by-layer to form a solid part. FDM parts are tougher and more durable than those produced by SLA. ABS parts are sufficiently resistant to heat, chemicals, and moisture that allows FDM parts to be used for limited to extensive functional testing, depending upon the application. Very little effort seems to have been made to develop metallic materials for the FDM process. Work has been in progress in some universities and research institutions to develop new metallic and ceramic materials for rapid fabrication of functional components by FDM with higher mechanical properties. Rutgers University in the United States have carried out considerable work in the development of fused deposition of ceramics (FDC) and metals. They have used the process to fabricate functional components of a variety of ceramic and metallic materials such as silicon nitrate, PZT, aluminium oxide, hydroxypatite and stainless steel for a variety of structural, electroceramic and bioceramic applications. They create such components on the FDM using ceramic powders mixed with organic binder system. The properties of the mixed feedstock filament meet the flexibility, stiffness, and viscosity required for successful FDM processing. But the fabricated green parts need to undergo further processing to remove the organic binder and are subjected to sintering to achieve densification. Sintered part may be infiltrated with other type of metal materials. Work has also been carried out at Advanced Ceramics Research for part fabrication in ceramics using the FDM process. Re 153

154 searchers at Virginia Tech have developed a new high performance thermoplastic composite for FDM, involving thermotropic liquid crystalline polymers (TLCP) fibres, and have used it in FDM system to fabricate prototype parts. The tensile modulus and strength of this material were approximately four times those of ABS. Therefore, prototypes fabricated with these materials would have greater functionality than those fabricated with ABS. The FDM technology thus offers the potential to produce the functional parts with a variety of materials including composite materials. But little work seems to have been done in the development of metal/polymer composites for direct rapid tooling application using the FDM system. Quick direct tooling of injection moulding dies and inserts can be performed if a strong metal based feedstock material is available [4]. The requirement of Lamborghini in components made with the rapid prototyping technology has found its origin in need for solving the problem for fast delivery of 100 Gallardo s pre-production models to the first dealers and customers. The parts in consideration were the headlight washer cover flap. The RP materials available on the market until that moment didn t reach the minimum mechanic and thermal properties that those application was requiring: once painted the part had to be fitted directly on the car. Considering that the Gallardo can easily reach 300 km per hour and has to resist at every climatic condition, both in winter (-20 C) and in summer (+50/60 C), rain, hail, snow or sun, the challenge was very exiting. They asked for a consulting and the suggestion was laser sintering and hi-performance materials. At the beginning of 2003 the most appropriate material was the Windform PRO, aluminium and glass filled, granular and flat. The part has then been produced in Windform XT, carbon fibre filled material: the tests made on the first and then on the second have underlined a good increase in performance with the carbon fibre filled, so it can be supposed that if at that time the carbon fiber filled material had been used, the performance would have been higher. [5]. 5 Conclusion There are more than 20 sellers of RP systems currently on the market. Method employed by each company can be generally classified into the one of following categories: photo-curing, cutting and gluing/joining, melting and solidifying/fusing and joining/binding. Photo-curing can be further divided into categories of single laser beam, double laser beams and masked lamp. Initial state of material in Rapid Prototyping technologies can come in either solid, liquid or powder state. In solid state, it can come in various forms such as pellets, wire or laminates. The current range of materials covers paper, nylon, wax, resins, metals and ceramics. Most of the RP parts are finished or touched up before being used in intended environment. Utilization of created models includes areas of design engineering, analysis, planning and tooling areas and manufacturing. Automotive, aerospace, biomedical, consumer, electrical and electronic products industries can benefit from utilization of RP technologies. Acknowledgements Slovak Ministry of Education supported this work, contract VEGA No. 1/0036/09, KEGA No TUKE4/2010 and ITMS project code References [1] Hopkinson, N.; Haque, R.; Dickens, P. Rapid Manufacturing: An Industrial Revolution for the Digital Age. Wiley, Oxford, 2006, 304 p., ISBN [2] Chua, C. K., Leong, K. F., Lim, C. S.: Rapid Prototyping: Principles and Applications. World Scientific Publishing, Singapore, 2003, 420 p., ISBN [3] Marcincinova, L. N., Fecova, V., Marcincin, J. N., Janak, M., Barna, J.: Theoretical Aspects and Practical Experiences of Rapid Prototyping Technology Exploitation. In: Proceedings of the 4th Manufacturing Engineering Society International Conference MESIC 2011, Cadiz, 2011, pp [4] Massod, S. H., Song, W. Q.: Development of new metal/polymer materials for rapid tooling using Fused deposition modelling. Materials & Design, Vol. 25, No. 7, 2004, p , ISSN [5] Gallardo Headlight Washer Cover headlight-washer-cover-flap.html). Flap ( [6] [7] [8] 154

155 Impact of technical diagnostics interval on machinery maintenance Ing. Karel Mayer, Ing. Martin Pexa, Ph.D., Ing. Jindřich Pavlů, Ing. Pavel Gajdoš Faculty of Engineering, Czech University of Life Sciences Prague, Kamýcká 129, Praha 6 - Suchdol, Czech Republic. pexa@tf.czu.cz Machinery maintenance significantly participates in its reliable, serviceable and safe operation. Well-timed maintenance can identify a fault condition of machinery leading to manufacturing a product of poor quality. Maintenance interval can be fixed or maintenance can be done when needed, meaning at the moment when some of operating parameters get worse. An example of determination of diagnostics interval set based on machinery vibrodiagnostic measurement is described in the paper. The shown steps are universal and can be applied to another technical diagnostics methods as for example tribodiagnostics, thermodiagnostics, non-destructive materiology etc.. This way economic savings can be reached better comparing to maintenance done in fixed planned dates. Key words: maintenance, diagnostics interval, vibrodiagnostics. 1. Introduction Break-downs and service interruptions are caused by a number of outer and inner influences and processes happening right in machines. These influences result in changes of characteristics (damages) of machine components. Such changes are the primary technical causes of break-downs. [4] Efforts of technical diagnostics are to find, identify damages of functional areas and predict life time of components or machine unit [8]. There is a number of methods supporting diagnostics and these methods can be based on an evaluation of object s temperature (thermodiagnostics), evaluation of object s vibration and noise (vibrodiagnostics) [2] or oil sample analysis (tribodiagnostics) [1,7]. Disclosing hidden cracks is no less important, crashes that can widen in a component and material and can cause a higher temperature or machine vibration. Anyway an existence of a crack influences tightness and mechanic tightness of a component as well. There is a lot of methods helping to disclose cracks. Methods of a non-destructive materiology [3, 6] are the preferred ones. Magnetic powder method (catching powder in cracks of a magnetic component) [15, 16, 17, 18, 19, 20], capillary method (rising of a suitable penetrator into a crack) [9, 10, 11, 12, 13, 14] and ultrasonic method (uses mechanical waving to disclose a crack) belong among the most famous and the most used methods of a non-destructive materiology. A right interval of diagnostic measurings needs to be set up to discover a starting break-down or a significant functional areas wear/abrasion [5]. This interval should respect a measured value of a chosen parameter and if it gets worse, the interval should be shortened accordingly in the way to avoid a catalectic failure and also to use components life time as much as possible. The paper describes a possibility to determine an interval of measuring and applies results in vibrodiagnostic measuring of ventilators that are part of almost all engineering technologies. Initiative interval of measuring was 30 days and it decreased to 15 days depending on measured values. 2. Measurement methodology Principal rules for a determination of measuring interval were not set up in the system of diagnostics control yet. Any support in existing publications or a detailed answer to a question how to determine a measuring interval were not found in technical conferences during all present work in a field of technical diagnostics. Therefore a determination of measuring interval for doing a periodical data collection (which still outweighs on-line diagnostic systems in secondary manufacturing technologies and technologies with a parallel securing) is stressed in the beginnings of working with diagnostic system. The proposal of a definition for a measuring interval calculation comes with an assumption that the calculation must copy a development of measured quantity and dynamically respond to changes in trend of a damage development. Some principal facts are necessary to be pointed out before the calculation definition itself. 1. Based on generally received steps a day frame was chosen for an interval of measuring, mainly with a regard to a practical way of measuring and its planning within a working week, when measuring a day in advance or a day later does not make any significant difference in most of cases. 2. Before starting with a calculation it is necessary to choose a dynamics factor α which is a parameter of a speed of interval change, meaning a number of previous intervals a following interval is being calculated from. The higher this factor is the slower the calculation responds since it considers more previous measurements. This way the dynamics factor determines how sensitively will the calculation itself copy changes of measured quantity and at the same time it is a base for defining a number of referential measurements n. 3. When fixing an interval among measuremenrs it is assumed that norms and instructions of a defined referential value of break-down signals determine a level of equipment damage, a way of further operation and - to a certain extend - a time horizon for an eventual service. 155

156 A calculation of a length of n interval among INTn measurements is given by a sum of previous interval INTn-1 and a reduction factor of that interval RINT. Calculation is general and the shown xy unit can be replaced by any unit of measured operational machine quantity. Measuring interval N is given by a relation of number 1 after substitution. 2 ( H i 1 H i ) H i 1 H i INTi INT0 i INTi i = n 1 i = n 1 n α INTn = INTn 1 + INTn INTi. INTn-1 Hi-1 Hi 3. n α α 2 H n 1 H Alarm (1) searched interval (day) interval among measurements (day) previous interval (day) last measured value (xy) actual value of measured quantity (xy) Results of measuring A technology with sufficient operation and maintenance history was chosen for verification if a model of a calculation of a dynamic measuring interval is usable in technical practice and if a service can be effectively managed and planned based on that. The chosen machine is a main ventilator of a catalytic oxidation unit running in continuous operation (fig. 1) and monitored by vibrodiagnostics. Fig. 1 Main ventilator of a catalytic oxidation Fig. 2 Analyzed ventilator bearing 156

157 Based on the fact that the ventilator was operated at the moment when a technical diagnostics was applied and its bearings body s technical conditions were not known, a referential interval of 30 days with a factor of dynamics α=3 was chosen. Determination of dynamic interval parameters: The first measurements proved that minimal changes appeared in a total rate of vibrations. The measured values were above the line of 1. alarm according to ČSN ISO To get a relevant data sample it was needed to do at least 10 measurements extended by such a number of measurements to get a room for diagnostics reaction. Interval of 30 days was sufficient in this case and measurements proved that the interval was chosen right. The important fact to set the interval in a length of 30 days was the fact that delivery dates for eventual bearing changes were agreed on a half of this period, meaning 14 days, which was the expectant limit for a shortening of measuring interval when already servicing must be considered. Dynamics factor α=3 represents a minimum for given conditions. If it was related to a running-up technology or right after renovation, the considered α, would be 10% from the assumed number of measurements till the next renovation, meaning approximately 4-5. The measurements with a dynamic interval was being done in 4 measuring levels 2 levels in engine and 2 levels in bearing bodies. The process of measured quantity (mm/s) in an exercise of total vibrations and a development of length of a measuring interval fixed according to above mentioned parameters (referential interval of 30 days, dynamics factor α=3) are shown in figure 3. 7,0 45 Measured quantity - vibration speed (mm/s) The intervals betw een measuring (day) 40 5,0 35 4,0 30 3,0 25 2,0 20 1,0 15 0, Operating tim e (day) The intervals between measuring (day) Measured quantity - vibration speed (mm/s) 6, Fig. 3 Development of measured quantity and measuring interval depending on operation 4. Conclusion Practical tests proved the fact that expected changes happened in a mode of dynamic interval measuring in its length depending on a change of measured parameter and at the same time capacity possibilities of technical-diagnostic group were not influenced by that. There must be 3 or more measurings available to check relevancy of measurement in trend and based on them the measuring may be discarded as a fault one or it may be considered a standard one. In such case the measuring would have to be repeated in a periodic interval to check its correctness and to eliminate a possibility of any fault in measuring. If a corrective measuring showed that there was no fault in measuring a next logical step in terms of shortening of interval would come based on a diagnostician s consideration (generally in about ½ interval). The process would be repeated until crossing a tolerable value. In the described case 4 measuremets more were done within a dynamic interval of diagnostics in the operating phase in the area of a change of measured quantity, comparing to measuring corresponding to a periodic interval. Diagnostician got more accurate information related to a machine behavior not just in total figures but also for analyses of spectrums as well, where he tracked a concrete break-down causing an increase of total vibration values. 157

158 Tab. 1 Comparison of dynamic and periodical interval of measuring Number of measuring Date of measuring in periodical interval Date of measuring in dynamic interval Measured value (mm/s) 2,6 3,7 3,5 5,7 5,1 3,4 5,5 4,0 4,9 4,0 4,1 4,5 4,0 4,4 3,9 3,8 4,3 Results from other machines measuring - where a system of dynamic interval calculation was tested - are analogical to the described example and from a practical point of view they fulfilled expectations of a more accurate determination of a shutdown in a critical operation phase. Comparing to a generally used system of periodical measurements on a weekly or monthly basis, this method s calculation requires necessarily to ensure a 100% technical support for doing measurements, e.g. such as interactive calendar. A strict adhering to measuring interval fixed in a calendar is highly required. Technician doing particular analyses and working with a dynamic measuring interval always marks a date of next measuring in the calendar. Employee doing measuring will measure then according to this calendar. Implementation of this method changed the approach to a preparation and needed service essentially. Equipment can be shut down for service needs not only at a right time but during time when all servicing employees can be informed about failure range. Such a solution may significantly influence e.g. working overtime and deliveries of spare parts just in time, which limits costs connected with a service. Savings up to 60% can be reached comparing to firmly fixed measuring intervals. That represents costs in a number of thousands CZK per year for one engine plant. In manufacturing companies running tens or hundreds of technological equipments this means costs in amount of more than 1 million CZK a year. Indisputable benefit for maintenance is the fact that it is possible to get closer to a real bearing life time and use a maximal possible manufacturing potential of machinery by doing service with a use of a dynamic measuring interval. This benefit is appreciated in technologies in continuous operation and industrial companies that lay stress on an optimal system of maintenance management in accordance with TPM principles, where a technical diagnostics and maintenance managed based on working conditions plays its important role. The same way it is irreplaceable for companies using state-of-art technologies whose life time takes share in economic results. Thanks In relation to writing this paper we need to thank our colleagues-diagnosticians above all, for their pro-active approach in implementation of new methods of diagnostics management. This paper was created with a grant support of project ČZU 31190/1312/3128 (Czech University Of Agriculture in Prague) Impact of biofuels on complete engine characteristics Literature [1] Aleš, Z., Pexa, M., 2010: Diagnostika maziv s využitím laserového analyzátoru LASERNET FINES -C, Časopis - Strojírenská technologie, Ročník XIV, zvláštní vydání, Univerzita Jana Evangelisty Purkyně, FVTM, Ústí nad labem, 2010, s ISSN

159 [2] Juzenas, E., Jonušas, R., Juzenas, K., 2008: Defects diagnostics of rolling bearings of low speed machines, VIBROENGINEERING Proceedings of 7th International Conference 2008, s [3] Li G, Huang P, Chen P, Hou D, Zhang G, Zhou Z. Quantitative nondestructive estimation of deep defects in conductive structures. Časopis - International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics, Ročník 33, Číslo 3-4, 2010, s ISSN [4] Pošta, J.: Provozuschopnost strojů. Česká zemědělská univerzita v Praze, 2. vydání, Praha, ISBN [5] Savic, B.M., Jovanovic, V: Determining the optima interval for the technical diagnostics of bearings. Proceedings - ASME international manufacturing science and engineering conference, s , ISBN [6] Shah AA, Ribakov Y. Non-destructive evaluation of concrete in damaged and undamaged states. Časopis Materials and Design. 2009;Ročník 30, číslo 9, 2009,s ISSN: [7] Stodola J, Stodola P. Mechanical system wear and degradation process modelling. Časopis - Transactions of Famena. Ročník 34, číslo 4, 2010, s ISSN: [8] Žižka, J., Linhart, T., 2009: Určování stavu opotřebení soustružnického nože pomocí poměru složek řezné síly, Časopis - Strojírenská technologie, Ročník XIV, číslo 1, Univerzita Jana Evangelisty Purkyně, FVTM, Ústí nad labem, 2010, s ISSN [9] ČSN EN Nedestruktivní zkoušení Kapilární zkouška Část 1: Obecné zásady. Praha: Český normalizační institut, [10] ČSN EN ISO Nedestruktivní zkoušení Zkoušení kapilární metodou Část 2: Zkoušení kapilárních prostředků. Praha: Český normalizační institut, [11] ČSN EN ISO Nedestruktivní zkoušení Kapilární zkouška Část 3: Kontrolní měrky. Praha: Český normalizační institut, [12] ČSN EN ISO Nedestruktivní zkoušení Kapilární zkouška Část 4: Vybavení. Praha: Český normalizační institut, [13] ČSN EN Nedestruktivní zkoušení Kvalifikace a certifikace pracovníků NDT Všeobecné zásady. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, [14] ČSN EN Nedestruktivní zkoušení svarů Zkoušení svarů kapilární metodou Stupně přípustnosti. Praha: Český normalizační institut, [15] ČSN EN ISO Nedestruktivní zkoušení Zkoušení magnetickou metodou práškovou Část 1: Všeobecné zásady. Praha: Český normalizační úřad, [16] ČSN EN ISO Nedestruktivní zkoušení Zkoušení magnetickou metodou práškovou Část 2: Zkušební prostředky. Praha: Český normalizační úřad, [17] ČSN EN ISO Nedestruktivní zkoušení Zkoušení magnetickou metodou práškovou Část 3: Přístroje. Praha: Český normalizační úřad, [18] ČSN EN ISO Nedestruktivní zkoušení Zkoušení kapilární a magnetickou práškovou metodou Podmínky prohlížení. Praha: Český normalizační úřad, [19] ČSN EN Nedestruktivní zkoušení svarů Zkoušení svarů magnetickou metodou práškovou. Praha: Český normalizační úřad, [20] ČSN EN Zkoušení svarů magnetickou metodou práškovou Stupně přípustnosti. Praha: Český normalizační úřad, [21] ČSN EN Nedestruktivní zkoušení svarů - Zkoušení svarových spojů ultrazvukem. Praha: Český normalizační úřad, [22] ČSN EN Nedestruktivní zkoušení svarů - Zkoušení svarových spojů ultrazvukem - Stupně přípustnosti. Praha: Český normalizační úřad, [23] ČSN EN ISO Nedestruktivní zkoušení svarů - Zkoušení ultrazvukem - Posouzení charakteru indikací ve svarech. Praha: Český normalizační úřad,

160 Návrh konstrukce kuželového klínu na štípání dřeva z hlediska materiálu a silového zatížení Mečiarová Júlia, Ing. PhD., Katedra výrobných technológií a materiálov, FEVT TU vo Zvolene Minárik Marián, Ing. PhD., Katedra mechaniky a strojníctva, FEVT TU vo Zvolene Topení pevnými palivy a speciálně dřevem patří bez pochyby k nejběžnějším a nejžádanějším druhům topení na chalupách. Se zvyšujícími se cenami energie se toto tradiční palivo stále víc uplatňuje i v běžných rodinných domech. Jedním z hlavních problémů, s kterými se je potřebné při tomto druhu topení vypořádat, je příprava dřeva. Velmi užitečnou pomůckou pro tento účel je štípačka dřeva. Součástí takového zařízení je klín, který se otáčí a zavrtává do dřevného materiálu vyšší rychlostí a tím ho štípe. Klín má tvar kužele a měl by být vyroben z pevného a houževnatého kovového materiálu. Tento článek má za úkol najít vhodný materiál pro výrobu štípacího klínu a také navrhnout parametry, které jsou pro jeho výrobu důležité a měli by být optimalizovány. Klíčová slova: materiál, kuželový štípací klín, konstrukční ocele, štípání dřeva 1 Úvod Dřevo zažívá při výrobě tepla znovu renesanci. Týká se to nejen malých měst, vesnic, odlehlejších usedlostí, chalup a samot. Důvodem je především cena. Topení dřevem vychází (podle druhu použitého topného zařízení) například oproti plynu až o 50 % levněji a z dlouhodobého hlediska se jeví jako nejrentabilnější [1]. Důvodů, proč topit dřevem, je více [2]: dřevo je nejlevnější palivo, topení dřevem je ekologicky šetrné, dřevo má dobrou výhřevnost, je alternativní zdroj tepla, nenáročné skladování palivového dříví a snadné zacházení. Důležitou činností je příprava dřevného materiálu. Ten se klasifikuje podle různého hlediště a může mít i různé formy [3], jako např. jehličnaté, listnaté, apod. Usnadnění dělení dřeva nabízí strojní zařízení, kterým je štípačka dřeva. Její princip spočívá v rychle se otáčejícím (cca. 700 min-1) kuželovitém štípacím klínu - trnu se závitem (obr. 1), který se zavrtává do dřeva a poměrně rychle ho štípe, nebo trhá. Výhodou je relativně jednoduchá a levná konstrukce. Nevýhodou může být bezpečnost obsluhy, kde je riziko namotání častí oděvu na klín, nebo možnost zaseknutí klínu uvnitř dřeva [4]. Obr. 1 Kuželovitý klín [5] Fig. 1 Log splitter wedge 2 Vlastnosti materiálu pro výrobu klínu Úlohou technologa a konstruktéra je navrhnout prvek tak, aby co nejlépe sloužil svému účelu, měl požadované vlastnosti, pracoval po celý čas životnosti, neohrožoval člověka a životní prostředí a dal se ekonomicky vyrobit a udržovat. Navrhnuté konstrukční prvky jsou obyčejně zatěžované složitými ději a můžou se různým způsobem poškodit. Navrhovaný materiál je ocel. Při volbě oceli pro klíny je nutné brát do úvahy následovní aspekty: podmínky dělení, množství dřeva (četnost užívaní klínu), konstrukce stroje, jeho tuhost, konstrukce klínu, cena ocele, vlastnosti a složení děleného dřeva. 160

161 Nejdůležitější vlastností, kterou třeba brát v úvahu, je tvrdost oceli. Ta definuje otěruvzdornost oceli a tudíž i její užitkovou hodnotu. Tvrdost přitom závisí především od obsahu uhlíku v oceli. Stoupá se zvyšujícím obsahem uhlíku do 0,8%. Předpokladem pro dosažení optimální tvrdosti je správný postup tepelného zpracování. Vysoká tvrdost a pevnost zabraňují plastické deformaci funkčních částí a výrazně ovlivňují i odolnost materiálů proti otěru a opotřebení. Dále houževnatost je velmi důležitým parametrem. Zejména pokud se ocel použije v aplikacích, kde se vyskytuje určitý typ namáhání, nebo kde se předpokládá funkčnost při záporných teplotách. Dřevo může obsahovat i slabé roztoky kyselin, které tudíž mohou poškozovat funkční částí zařízení. 3 Volba materiálu pro kuželový klín na štípání dřeva Po uvážení nahoru uvedených parametrů byly vybrány tři materiály. Všechny tři jsou konstrukční oceli první je konstrukční ocel obvyklých jakostí 11600, druhá je ušlechtilá slitinová ocel a třetí je slitinová se speciálními vlastnostmi Jsou specifické svým složením, vlastnostmi, cenou a použitím. Materiál je konstrukční ocel ČSN Její chemické složení je znázorněno v tab. 1. K základním mechanickým vlastnostem patří: meze pevnosti Rm = 590 až 705 MPa, nejmenší meze kluzu Remin = 295 MPa, max. tvrdost podle Brinella HB = 205, třída odpadu 001. Standardně normalizačně žíhaná. Tab. 1 Chemické složení Tab. 1 Chemical composition of in % Prvek P (hm.%) max 0,045 S max 0,04 N max 0,009 Co se týče její vlastností a použití, je obvyklé jakosti, s vyšším obsahem uhlíku. Neušlechtilá konstrukční ocel pro strojní součásti, namáhané staticky i dynamicky, u kterých se nevyžaduje svařitelnost. Je vhodná na součásti vystavěné velkému měrnému tlaku, jako jsou hřídele, ozubená kola, kliny, spojky, či různé upínací elementy, jako jsou tělesa fréz apod. Materiál je mangan-chromová ocel k cementování. K jejím mechanickým vlastnostem patří: meze pevnosti Rm = min.785 MPa, nejmenší meze kluzu Remin = 590 MPa, tvrdost podle Brinella HB = min. 239, třída odpadu 021. Tab. 2 Chemické složení Tab. 2 Chemical composition of in % Prvek C Mn (hm.%) 0,14-0,19 1,1-1,4 Si 0,17-0,37 Cr 0,8-1,1 P max 0,035 S max 0,035 Je to ocel vhodná k cementování, kyanování a objemovému tváření; dobře obrobitelná a svařitelná. Je určená pro strojní součásti s velmi tvrdou cementovanou vrstvou a velkou pevností v jádře, např. menší hřídele, ozubená kola, zdviháky ventilů, pístní čepy, pera, zubové spojky, trny. Materiál patří mezi korozivzdorné a žáruvzdorné oceli. Jeho chemické složení je znázorněno v tab. 3. Z mechanických vlastností je uvedeno: meze pevnosti Rm = 750 až 900 MPa, nejmenší meze kluzu Remin = 490 MPa, tvrdost podle Brinella HB = max. 229, třída odpadu 024. Tab. 3 Chemické složení Tab. 3 Chemical composition of in % Prvek C Mn Si (hm.%) 0,36-0,45 0,8 0,7 Cr 12 až 14 Fe zbytek P max 0,04 S max 0,03 Jde o korozivzdornou ocel, která odolává v kaleném stavu s kovově lesklým povrchem rezivění, zředěné kyselině dusičné a v pasivním stavu za studena některým slabým organickým kyselinám. Odolnost proti korozi se zvyšuje leštěním. Je dobře tvárná za tepla a v žíhaném stavu je dobře obrobitelná. Není vhodná ke svařování. Po kalení je možné dosáhnout vyšší tvrdosti. Ve stavu kaleném je vhodná na součásti s vyšší pevností: písty, šrouby, nože, nástroje, měřidla a nerezavějící součásti, odolné proti otěru [6]. Tab. 4 Porovnání cen materiálů Tab. 4 Comparison of production costs ocel cena materiálu cena tepelného zpracování cena výroby cena spolu , ,55 33, ,54 20,75 26,55 62, ,35 20,75 26,55 67,65

162 Vzhledem na oblast použití štípaní - v převážné většině mokrého dřeva - se jako nejvhodnější materiál pro výrobu klínu jeví ocel a to z hlediska odolnosti proti korozi způsobované vodou a působení slabých roztoků kyselin obsažených v dřevě. Stejně tak je velkou výhodou možná povrchová tvrdost a otěruvzdornost výrobku při současném zachovaní houževnatosti v jádře obrobku. Nevýhodou, vyplývající z tab. 4, jsou vyšší obstarávací náklady, které však vzhledem k výsledné ceně klínu a jeho trvanlivosti nejsou primárním kritériem pro jeho výrobu. 4 Rozbor silových účinků při vnikání klína do materiálu Od stavu a kvality nástroje závisí hospodárnost práce, proto třeba věnovat výběru vhodného materiálu velkou pozornost, jako i brát na zřetel konstrukční a geometrické parametre nástroje. Zjednodušení rozpojování dřevní hmoty vede k modelu dělení dřeva jednoduchým klínem. Při vnikání klinu do dřeva působí celková síla kolmo na čelo řezného klínu. Tato sila se rozkládá na složku působící v směru vláken F//, která usmykuje elementy dřeva a je závislá od pevnostních vlastností dřeva a tvaru třísky a složku kolmou na vlákna F, která odřezává dřevné vlákna a závisí od uhlu řezného klína a sily F//. Důležité je dodat, že uvedené působení sil je elementární model při řezání. Využiti základných poznatků práce elementárního klina umožňuje teoretický rozbor působících sil a napětí, jako i použiti výpočtových rovnic. Vzhledem na anizotropii dřeva, jako zpracovávané suroviny, je nutné brát do úvahy základné směry řezání kolmo, podél a napřič vláken. Klín vtláčený do materiálu musí překonat silové veličiny SR a ST, které působí na styčných plochách klinu a materiálu, v našem případě dřevné hmoty. Tyhle veličiny je nutno rozložit dle obrázku 2, dále můžeme použité silové veličiny lépe znázornit na obrázcích 3 a 4. Přičemž z obrázku 3 je zřejmé, že silu potřebnou na rozpojování vláken F1 lze vyjádřit podle vztahu (1) a silu nutnou na usmykování vláken F2 lze vyjádřit podle vztahu (2), přičemž sila F)2 se rozloží na F)2T v směre vláken a F)2R kolmo na vlákna a tady platí vztahy (3). Obr. 2 Silový rozbor při vnikání klínu Fig. 2 Cutting forces decomposition during cutting Síla na rozpojování vláken: cos α = F1R F1 F1 = F1R cos α (1) Síla na usmykování vláken: F2 = F2). sin β (2) 162

163 Síla F)2T v směre vláken a F)2R kolmo na vlákna: tg (α β ) = F2)R F2)T, cos(α β ) = F2)T F2) F2) = Obr.3 Rozklad sil při rozpojování dřevných vláken Fig. 3 Cutting forces decomposition during cutting of wood fibres F2)T cos(α β ) (3) Obr. 4 Rozklad sil při usmykování dřevných vláken Fig. 4 Cutting forces decomposition during sliding of wood fibres Nyní si můžeme určit sílu F1R, která působí v směru kolmém na vlákno a lze ji definovat dle vztahu (4), přičemž K je měrná řezná síla, h a d jsou geometrické rozměry: (4) F1R = K.h.d Když známe sily F1 a F1R je snadné vyjádřit silu F1T způsobující namáhaní dřeva ve směru vlákna: F1T = F12 F12R (5) Celková síla potřebná na vnikání klína do materiálu je vyjádřená vztahem: S = F1 + F2 nebo S = S ) 2 F2)) 2 kde S ) = S T2 + S R2, F2)) = F2) 2 F22 (6) Kdybychom chtěli vyjádřit konkrétní hodnoty silových účinků vznikajících při vnikání geometricky definovaného tělesa do materiálu, v našem případě do dřevné hmoty, musíme znát vstupné faktory, které výraznou měrou ovlivňují pracovní proces, a s ním úzce spojeno rozložení sil. Mezi takové údaje patří konstrukční a materiálové parametre vnikajícího klina, rovněž taky v neposlední řade řezní podmínky. Dále je nutno znát fyzikální a mechanické vlastnosti zpracovávaného dřeva (tab. 5), rovněž i podmínky ovlivňující kvalitu zpracovávané suroviny [7] což se výrazně projeví v důležitém parametru, kterým je měrná řezná síla. (7) K = Kϕ.k d.k w.kδ.k v.k n.k z měrná řezná síla pro směr sekaní součinitel dřeviny součinitel vlhkosti dřeviny součinitel pro řezný klín β = 30 součinitel řezné rychlosti součinitel tloušťky třísky součinitel otupení Kϕ (MPa) kd kw kδ kv kn kz 163

164 Tab. 5 Fyzikální a mechanické vlastnosti dřevin Tab. 5 Physical and mechanical properties of wood Pevnost v tlaku (wa = %) (MPa) Hustota (w = 0 %) Dřevina kolmo na vl. kolmo na vl. podél vláken (g.cm-3) radiálně tangentně Smrk obecný 0,392 34,1 3,4 4,0 Buk obecný 0,684 56,7 12,9 8,5 Prorážecí práce (J.cm-2) 5,8 8,1 5 Závěr Na základě analýzy jednotlivých variant materiálů, jsme jako optimální materiál pro výrobu klínu zvolili ocel a to z hlediska její odolnosti proti korozi i proti působení slabých roztoků kyselin, které mohou být obsažené v dřevě. Stejně tak je její velkou výhodou možná povrchová tvrdost a otěruvzdornost při současném zachovaní houževnatosti v jádře dřeva. S využitím uvedených údajů o materiálu a geometrii klína jako i silového rozboru je možné navrhnout potřebné rozměry a materiálové charakteristiky pracovního nástroje pro daný druh zpracovávané dřeviny v závislosti na rozměrech a množství dřevní hmoty. Literatura [1] Topení dřevem není prožitek. [online]. [cit ]. Dostupné < na: [2] Palivové dřevo. [online]. [cit ]. < [3] KRAJČOVIČOVÁ, Mária. Introduction into problematic of material flow. Drewno, 2006, vol. 49, nr. 175, s ISSN [4] Štípačka na dřevo. < [5] LASCO Heu-Technik GmbH, firemní dokumentace. < [online]. [cit ]. Dostupné na: [6] LEINVEBER, Jan; VÁVRA, Pavel. Strojnické tabulky. Čtvrté doplněné vydání. Úvaly : Albra, ISBN [7] LISIČAN, J.: Obrábanie a delenie drevných materiálov. Edičné stredisko VŠLD, Zvolen, 1988, 391 s. [8] ŠTEMPEL, Z. a kol.: Sekanie dreva a sekačky. SVTL, Bratislava, 1964, 216 s. [9] VALŠIKOV, N.M.: Diskovije rubiteľnyje mašiny. Lesnaja promišlennosť, Moskva, 1964, 208 s. [10] ŽEMBERY, K.: Sekačky a sekanie krátkeho drevného odpadu. ŠDVÚ, Bratislava, 1970, 68 s. Příspěvek vznikl na základě řešení interního projektu IPA 23/2011 na TU ve Zvoleně. Abstract Article: Design of cone wedge splitter for log splitting in aspects of wedge material and forces loading Author: Mečiarová Júlia, MSc., Ph.D. Minárik Marián, MSc., Ph.D. Workplace: Faculty of Environmental and Manufacturing Technology, TU in Zvolen Keywords: material, cone wood splitter, construction steels, wood splitting Heating by solid fuels, and especially wood, belongs to the most asked and requested types of heating at cottages. With increasing costs of electric energy and gas, the traditional way of fuel comes into attention also by people living in family houses. One of the main problems by heating is wood dividing as a first operation. 164

165 A very useful tool for dividing of wood material is a wood splitter. The advantage of wood splitter is its simple production and it is incredibly easy to use and master. The disadvantage of the splitter is the safety. Although a good log splitter can save the operator hours of labor with a maul, it is not possible to make it hundred per cents safe. Only a trained technician should operate a log splitter, because the behaviour of each log cannot be predicted. A safety zone should be established around the splitter to prevent injury from flying splinters of wood. One part of this device is a log splitter wedge, which rotates around its axis and screws into the wood by a higher speed and divides it. The wedge has a cone shape and it should be made of hard and ductile material. In this contribution, a determination of material for the wedge has been provided. Three conventional construction steels have been analysed on the basis of required properties. A Martensitic stainless steel has been chosen, because it provides corrosion resistance plus increased strength and hardness. It is specified for a wide variety of applications where a good corrosion and hardness in the range of C50 to C54 is required. Applications include cutlery, surgical and dental instruments, scissors, tapes and straight edges, gauges, needle valves, ball check valves, gear shafts, cams, pivots, ball bearings and hand tools. In the second part there has been a force loading analysis of the wedge provided. In addition, the conditions and parameters, which influence the quality of processed material, have been determined. Mentioned material data and forces analysis of log splitter wedge can be used for designing of required dimensions and material characteristics of the wedge in connection to amount of wood mass. 165

166 Zpevnění vznikající při válcování nerezových trubek Náprstková, Nataša, Ing., Ph.D., Fakulta výrobních technologií a managementu, UJEP v Ústí nad Labem Richter, Zdeněk, Ing., Fakulta výrobních technologií a managementu, UJEP v Ústí nad Labem V oblasti výroby švových nerezových trubek za studena, které jsou určeny pro výfuky, je, jako v každé výrobě, nutno dbát na kvalitu výsledného produktu. V případě těchto trubek je vyrobená trubka pro zákazníka pouze polotovarem, který je obvykle dále formován. Proto je třeba dodržet nejenom základní požadavky na trubku, jako jsou průměr, tloušťka stěny a materiál, ale také minimalizovat zpevnění vznikající při jejich výrobě a to tak, aby zákazníkovi zůstala co největší možnost následného formování. Článek se zabývá analýzou vlivu jednotlivých částí výroby trubky na její výsledné zpevnění. Toto zjištění by mohlo být užitečné pro zlepšení mechanických vlastností hotových trubek a to z hlediska možnosti zvýšení schopnosti těchto trubek podrobit se dalšímu zpracování (týká se to zejména pro ohýbání, hydro-tváření atp.) Klíčová slova: trubka, zpevnění, formování, válec 1 Úvod Při výrobě švových nerezových trubek za studena, které jsou určeny pro výfuky, je nutno dbát na kvalitu výsledného produktu (tak, jako v každé výrobě). V případě těchto trubek znamená vyrobená trubka pro zákazníka pouze polotovar, který je dále formován. Proto je třeba dodržet nejenom základní požadavky na trubku, jako jsou průměr, tloušťka stěny a materiál, ale je nutno také minimalizovat zpevnění, které vzniká při výrobě trubek, a to tak, aby zákazníkovi zůstala co největší možnost následného formování [6]. Tváření za studena je proces, který probíhá při teplotách nižších než je teplota rekrystalizace. Při tomto procesu dochází ke zpevňování materiálu. V důsledku tohoto zpevňování pozvolna roste mez pevnosti Rm (TS) a podstatně výrazněji roste mez kluzu Re, popřípadě smluvní mez kluzu Rp0,2(YS). Zároveň také klesá tažnost materiálu a mění se tvar zrn. Zrna se prodlužují ve směru deformace a přitom se usměrňují. Při dosažení určitého stupně deformace dojde k vyčerpání plasticity, což se projeví vznikem trhlin [8]. 2 Experiment a jeho metody Článek popisuje, jak bylo výše řečeno, řešení úkolu právě v oblasti výroby bezešvých trubek určených pro výfuky. Tyto trubky jsou u zákazníka následně ještě tvářeny a proto nárůst zpevnění nad určitou hranici, které může vzniknout při samotné výrobě trubek, může mít za následek popraskání trubek u zákazníka a toto může být zdrojem reklamací. Na obr. 1 je základní schéma výroby švové trubky[3, 7]. Konkrétním materiálem, pro který byla analýza provedena, byla feritická nerezová ocel X2CrTiNb18 (1.4509), která dle normy EN obsahuje max. 0,03% C; 1 % Si; 1% Mn; 0,04% P; 0,015% S; 17,5 18,5% Cr; (3xC+0,3) 1% Nb; 0,1-0,69% Ti [1]. Pro vyhodnocování a zjištění nárůstu zpevnění byly použity výpočty na základě provedené tahové zkoušky dle ČSN EN ISO Prvním krokem analýzy bylo provedení tahových zkoušek na odebraných vzorcích. Dalším krokem byl pak odečet a výpočet hodnot, které byly nutné pro zjištění míry zpevnění v jednotlivých krocích válcovací linky (obr..1). Těmito hodnotami byly mez pevnosti Rm, smluvní mez kluzu Rp0,2, celkové prodloužení v procentech měřené průtahoměrem při maximálním zatížení Agt a tažnost A50, kde vzdálenost značek na vzorku před utržením je l0 = 50mm. Vzorky byly odebírány v místech dle obr.2. Vzorky svitku (ve formovací části linky) a trubky (v kalibrační části linky) byly získány tak, že se odebral vždy jeden vzorek před a za jednotlivými válci. Z těchto vzorků byly poté vyřezány segmenty v 90, 180 a 270. Celkem se tedy jednalo o 24 vzorků, ze kterých bylo získáno 72 segmentů na kterých byla provedena tahová zkouška. 166

167 rozvinování plechu spojování konců cívek vstup linky akumulátor formovací válce formování dokončovací válce svařování válcování chlazení kalibrační válce konečné tvarování válce pro rovnání trubek dělení trubek výstup linky Obr. 1 Schéma výroby švových trubek Fig. 1 Diagram of the seam pipe production Obr. 2 Místa, ze kterých byly odebírány segmenty pro provedení analýzy Fig. 2 Places from which segments were taken for analysis 2.1 Tahová zkouška Z tahové zkoušky byly zjištěny hodnoty Rm, Rp0,2 na průtahoměru byla odečtena hodnota Agt a následně byla vypočtena hodnota tažnosti A50 dle vztahu (2.1). A50 = Lu L 0 L = u L0 50 [%] (2.1) V tomto vztahu platí, že Lu je vzdálenost značek na utrženém zkušebním vzorku po složení utržených částí a L0 je vzdálenost značek na vzorku před utržením, zde je to 50 mm. Na formování svitku se podílí pět párů formovacích válců, které postupně vytvářejí z pásu plechu kulatý svitek a tři páry válců dokončovacích, které dotvoří svitek do konečné fáze před svařováním. Právě v těchto místech dochází ke zpevněním, jejichž analýza je předmětem tohoto článku. Nakonec následuje ještě kalibrování pomocí tří párů kalibračních válců. Ve všech těchto místech (před válci a za válci) byly tedy odebrány vzorky a podrobeny analýze. Ze zjištěných hodnot byly provedeny výpočty a vytvořeny grafy a na jejich základě byla provedena doporučení. 167

168 2.2 Zjištění míry zpevnění Jak již bylo výše zmíněno, míra zpevnění vznikající při výrobě švových trubek byla vyhodnocována třemi způsoby a to na základě poměru smluvní meze kluzu a meze pevnosti Rp0,2/Rm, na základě poklesu tažnosti A50 a na základě poklesu hodnoty celkového prodloužení měřeného průtahoměrem při maximálním zatížení Agt [4]. Nejprve byla zjišťována průměrná hodnota míry zpevnění pro celý obvod trubky, na základě čehož bylo možné vyhodnotit v jakých částech procesu dochází k největšímu zpevnění a poté byla zjišťována míra zpevnění v jednotlivých měřených segmentech trubky, z čehož bylo možno vyhodnotit v jakém segmentu obvodu trubky dochází k největšímu zpevnění Zjištění míry zpevnění z poměru Rp0,2 / Rm Dle teoretických předpokladů [8] při tváření za studena roste významněji smluvní mez kluzu než roste mez pevnosti a tím pádem také dochází k růstu tohoto poměru, což je právě důsledkem zpevňování materiálu. Nejprve byla určena míra zpevnění celého obvodu trubky. Poměr Rp0,2/Rm byl určen pro jednotlivé válce jako podíl průměrné hodnoty smluvní meze kluzu a meze pevnosti dle vztahu (2.2), kdy do tohoto vztahu byly dosazeny hodnoty smluvních mezí kluzu a mezí pevnosti získané z tahových zkoušek pro jednotlivé segmenty obvodu trubky Rp0, 2 Rm = Rp0, 2 (90 ) + Rp0,2 (180 ) + Rp0, 2 (270 ) (2.2) Rm(90 ) + Rm(180 ) + Rm(270 ) Míra zpevnění (Rp0,2/Rm) v jednotlivých částech procesu byla vypočtena z rozdílu poměrů Rp0,2/Rm za posledním párem válců sledované části procesu a Rp0,2/Rm před prvním válcem sledované části procesu. V tomto případě to byla míra zpevnění (Rp0,2/Rm) pro úsek formovacích válců, dokončovacích válců a válců pro kalibraci. Z grafů na obr.3 a 4 je zřejmé, že skutečně dochází jak k růstu meze pevnosti a smluvní meze kluzu, tak poměru Rp0,2/Rm a tím také k růstu zpevnění, kdy k největšímu nárůstu míry zpevnění dochází na dokončovacích válcích (5,6%), pak na formovacích válcích (4,9%) a nejméně je materiál zpevňován na kalibračních válcích (2,5%). Dále byla určena míra zpevnění pro jednotlivé segmenty trubky. Zjištěné hodnoty by mi měly pomoci objasnit, v jakém segmentu trubky obvykle dochází k největšímu zpevňování materiálu. Na obr.5 je graf meze pevnosti a smluvní meze kluzu v jednotlivých segmentech trubky. Z grafu (obr.6) je tedy zřejmé, že v průběhu válcování trubky skutečně dochází k nárůstu poměru Rp0,2/Rm v každém segmentu. K největšímu nárůstu tohoto poměru a tím pádem i k největšímu zpevňování však dochází v segmentu 180. Mez pevnosti (Rm) a smluvní mez kluzu (Rp0,2) - celý obvod trubky σ (MPa) Rm Rp0,2 300 Trend Rm Trend Rp0, BD 2BD 3BD 4BD 5BD 1FP 2FP 3FP CAL1 CAL2 CAL3 CAL4 Za Za Před Za Pře d Za Před Za Pře d Za Před Za Před Za Před Za Před Za Před Za Před Za Pře d Před 0 Pozice válcovací linky Obr. 3 Graf meze pevnosti a smluvní meze kluzu pro celý obvod trubky Fig. 3 Graph of strength limit and nominal yield strength for the entire circumference of pipe 168

169 (Rp0.2/Rm) - celý obvod trubky 90,0% 80,0% 70,0% Rp0.2/Rm (%) 60,0% 50,0% Rp0,2 / Rm (%) 40,0% Trend (Rp0,2 / Rm) 30,0% 20,0% 10,0% 1BD 2BD 3BD 4BD 5BD 1FP 2FP 3FP CAL1 CAL2 CAL3 CAL4 Za Za Před Za Před Za Před Za P řed Za P řed Za P řed Za P řed Za P řed Za P řed Za Před Před Před Za 0,0% Pozice válcovací linky Obr. 4 Graf růstu poměru Rp0,2/Rm pro celý obvod trubky Fig. 4 Graph of growth rate Rp0,2/Rm for the entire circumference of pipe Mez pevnosti (Rm) a smluvní mez kluzu (Rp0,2) - segmenty trubky 90 Rm Rp0,2 180 Rm Rp0,2 σ (MPa) Rm 270 Rp0,2 300 Trend - Rp0,2-180 Trend - Rm Trend - Rp0, Trend - Rp0, BD 2BD 3BD 4BD 5BD 1FP 2FP 3FP CAL1 CAL2 CAL3 CAL4 Trend - Rm - 90 Za Před Za Před Za P řed Za Za Před Za P řed Za P řed Před Za P řed Za Před Za Za P řed P řed Před Za 0 Trend - Rm Pozice válcovací linky Obr. 5 Graf meze pevnosti a smluvní meze kluzu v jednotlivých segmentech trubky Fig. 5 Graph of strength limit and nominal yield strength in individual segments of pipe Rp0,2 / Rm - segmenty trubky 100,0% 90 (Rp0,2/Rm) 90,0% 180 (Rp0,2/Rm) 80,0% 70,0% Rp0,2 / Rm (%) 270 (Rp0,2/Rm) 60,0% Trend - (Rp0,2/Rm) ,0% 40,0% Trend - (Rp0,2/Rm) ,0% Trend - (Rp0,2/Rm) ,0% 10,0% 1BD 2BD 3BD 4BD 5BD 1FP 2FP 3FP CAL1 CAL2 CAL3 CAL4 Za Před Za Za Před Za Před Za Před Za Před Před Za Před Za Před Za Před Za Před Za Za Před Před 0,0% Pozice válcovací linky Obr. 6 Graf růstu poměru Rp0,2/Rm v jednotlivých segmentech trubky Fig. 6 Graph of growth rate Rp0,2/Rm in individual segments of pipe Zjištění míry zpevnění z hodnot Agt Hodnota Agt je celkové prodloužení v procentech měřené průtahoměrem při maximálním zatížení. Při tváření za studena by mělo docházet k poklesu této hodnoty, což je právě důsledkem zpevňování materiálu. Hodnota Agt tak také dobře může sloužit jako ukazatel míry zpevnění materiálu. 169

170 Nejprve byla určena míra zpevnění celého obvodu trubky Agt a to ze vztahu (2.3). Agt (90 ) + Agt (180 ) + Agt (270 ) Agt = (2.3) 3 Jedná se o průměrnou hodnotu Agt jednotlivých segmentů. Míra zpevnění Agt v jednotlivých částech procesu je vypočtena z rozdílu hodnot Agt za posledním párem válců sledované části procesu a Agt před prvním válcem sledované části procesu (míra zpevnění Agt pro úsek formovacích válců, dokončovacích válců a válců pro kalibraci). Z grafu na obr.7 je zřejmé, že skutečně dochází k poklesu hodnoty Agt a tím pádem k růstu zpevnění, kdy k největšímu nárůstu míry zpevnění (poklesu Agt) dochází na dokončovacích válcích (1,60%), pak na formovacích válcích (1,40%) a nejméně je materiál zpevňován na kalibračních válcích (1,20%). Dále byla určena hodnota míry zpevnění Agt pro jednotlivé segmenty trubky. Z grafu na obr.8 je zřejmé, že v průběhu válcování dochází v každém segmentu trubky k poklesu Agt. K největšímu poklesu Agt a tím pádem i k největšímu zpevňování však dochází v segmentu 180. Agt (%) - celý obvod trubky 16,00% 14,00% 12,00% 10,00% Agt (%) Agt 8,00% Trend Agt 6,00% 4,00% 2,00% 1BD 3BD 2BD 5BD 4BD 1FP 2FP 3FP CAL1 CAL2 CAL3 CAL4 Za Za Před Za Před Za Před Za Před Za Před Za Před Za Před Za Před Za Před Za Před Za Před Před 0,00% Pozice válcovací linky Obr. 7 Graf poklesu hodnoty Agt pro celý obvod trubky Fig. 7 Graph of Agt decline in the value for the entire circumference of pipe Agt - segmenty trubky 18,0% 90 Agt 16,0% 180 Agt Agt (%) 14,0% 12,0% 270 Agt 10,0% Trend - Agt ,0% Trend - Agt ,0% Trend - Agt ,0% 2,0% 1BD 2BD 3BD 4BD 5BD 1FP 2FP 3FP CAL1 CAL2 CAL3 CAL4 Za Za P ře d Za Před Za P ře d Za P ře d Za Před Za P ře d Za Před Za P ře d Za P ře d Za Před P ře d Za Před 0,0% Pozice válcovací linky Obr. 8 Graf poklesu hodnoty Agt pro jednotlivé segmenty trubky Fig. 8 Graph of value Agt for each pipe segment Zjištění míry zpevnění z hodnoty A50 Hodnota A50 je tažnost materiálu v procentech, která se zjišťuje tak, že se nejdříve vyznačí na vzorek rysky v požadované vzdálenosti (v tomto případě 50 mm). Po utržení měřeného vzorku se spojí utržené dílce tohoto vzorku a výsledná tažnost je podíl rozdílu vzdáleností rysek po utržení a před utržením ku vzdálenosti rysek před utržením. 170

171 Při tváření za studena by mělo docházet k poklesu této hodnoty, což je právě důsledkem zpevňování materiálu. Hodnota A50 tak také může dobře sloužit jako ukazatel míry zpevnění materiálu. Nejprve byly výpočty opět provedeny pro celý obvod trubky. Podobně jako pro hodnotu Agt platí, že hodnotu A50 pro celý obvod trubky vypočteme pro jednotlivé válce ze vztahu (4). A50 (90 ) + A50 (180 ) + A50 (270 ) 3 A50 = (4) Jedná se tedy opět o průměr hodnot A50 jednotlivých segmentů. Míra zpevnění A50 v jednotlivých částech procesu byla vypočtena z rozdílu hodnot A50 za posledním párem válců sledované části procesu a A50 před prvním válcem sledované části procesu. V našem případě to byla opět míra zpevnění A50 pro úsek formovacích válců, dokončovacích válců a válců pro kalibraci. Z grafu na obr.9 je tedy zřejmé, že skutečně dochází k poklesu hodnoty A50 a tím pádem tedy k růstu zpevnění, kdy k největšímu nárůstu míry zpevnění (poklesu A50) dochází na dokončovacích válcích (2,20%), pak na formovacích válcích (1,87%) a nejméně je materiál zpevňován na kalibračních válcích (0,90%). Dále byla, jako v předchozích případech, míra zpevnění určena pro jednotlivé segmenty. Z grafu na obr.10 je tedy zřejmé, že v průběhu válcování dochází v každém segmentu trubky k poklesu A50. K největšímu poklesu A50 a tím pádem i k největšímu zpevňování však dochází opět v segmentu 180. A50 (%) - celý obvod trubky 40,00% 35,00% 30,00% 25,00% A50 (%) A50 20,00% Trend A50 15,00% 10,00% 5,00% 1BD 3BD 2BD 5BD 4BD 1FP 2FP 3FP CAL1 CAL2 CAL3 CAL4 Za Za Před Za Před Za Před Za Před Za Před Za Před Za Před Za Před Za Před Za Před Za Před Před 0,00% Pozice válcovací linky Obr. 9 Graf poklesu hodnoty A50 pro celý obvod trubky Fig. 9 Graph of A50 values decrease for the entire pipe circumference A50 - segmenty trubky 40,0% 90 A50 35,0% 180 A50 30,0% 270 A50 A50 (%) 25,0% Trend - A ,0% Trend - A ,0% Trend - A ,0% 5,0% 1BD 2BD 3BD 4BD 5BD 1FP 2FP 3FP CAL1 CAL2 CAL3 CAL4 Za Za Před Za P řed Za Před Za P řed Za Před Za P řed Za Před Za P řed Za Před Za P řed Před Za P řed 0,0% Pozice válcovací linky Obr. 10 Graf poklesu hodnoty A50 pro jednotlivé segmenty trubky Fig. 10 Graph of value A50 for individual segments of pipe 171

172 3 Závěr Cílem bylo analyzovat vliv jednotlivých částí linky pro výrobu švových nerezových trubek za studena na konečné zpevnění finálních trubek a navrhnout opatření pro eliminaci těchto zpevnění. Zpracovávána byla pro válcování trubek z feritické nerezové oceli [1] o průměru 60 mm a tloušťce stěny 1,2 mm. Jak již bylo dříve uvedeno, míra zpevnění byla vyhodnocována pomocí tahové zkoušky a to třemi způsoby: z poměru smluvní meze kluzu a meze pevnosti, z tažnosti a z celkového prodloužení měřeného průtahoměrem při maximálním zatížení zkušebního vzorku. Vzorky, z nichž byly vyřezány zkušební segmenty pro tahovou zkoušku, byly odebrány vždy před a za jednotlivými válci. Míra zpevnění byla pak vyhodnocena jak pro celý obvod trubky, z čehož byla zjištěna míra zpevnění v jednotlivých částech linky, tak i pro jednotlivé segmenty trubky, z čehož bylo zjištěno, v jakém segmentu trubky dochází k největšímu zpevňování. Na základě vyhodnocení naměřených a vypočtených hodnot byl vytvořen závěr, že k největšímu zpevnění dochází na dokončovacích válcích při formování svitku, což může být způsobeno používáním nevhodných válců, primárně určených a dimenzovaných pro výrobu trubek téhož průměru, ale větší tloušťky stěny. V důsledku toho pak dochází na dokončovacích válcích ke zvýšené kompresi materiálu a tím pádem i k nárůstu zpevnění. Pro eliminaci tohoto zpevnění je tedy možno doporučit použití dokončovacích válců, které jsou dimenzovány pro válcování trubek o dané tloušťce stěny. Dále bylo zjištěno, že k největšímu zpevnění dochází v segmentu trubky 180. Na základě tohoto bylo doporučeno kvůli zmenšení zpevnění změnit typ formování na tzv. Bottom line, což by spočívalo v nastavení formovacích válců tak, aby ve všech krocích linky byl spodek svitku vodorovně (ve stejné výšce) a docházelo tak pouze k příčnému tváření hran a ne k tažení svitku jako za současného stavu. Tato doporučení mohou přispět ke zvýšení způsobilosti následných procesů u zákazníka a tím pádem i ke snížení množství zákaznických reklamací. Článek vznikl s podporou projektu GAČR101/09/0504. Literatura [1] EN , December 2005, European Committee For Standartization, Brussels 2005 [2] GOLIANOVÁ, A., ČORNANIČOVÁ, V. Hodnotenie mechanických vlastností tenkých ocelových plechov [online]. Katedra technológií a materiálov, Technická univerzita v Košiciach [ ], Dostupné na www: [3] KALINCOVÁ,D. Influence of the surface roolling on mechanical properties of the band saw blades. Materials engineering, 2009, Vol.16, No 1. University of Žilina, Faculty of Mechanical Engineering. ISSN [4] KALINCOVÁ, D Skúšanie mechanických vlastností materiálov - prehľad meracích metód a zariadení. Zvyšovanie efektívnosti vzdelávacieho procesu prostredníctvom inovačných prostriedkov: zborník vedeckých príspevkov, vydaný pri príležitosti ukončenia projektu KEGA 3/6370/08 s názvom "Inovatívne postupy výučby výrobných technológií a materiálov na báze elektronického vzdelávania", Zvolen, Technická univerzita vo Zvolene, s ISBN [5] RICHTER, Z. Analýza vznikajících zpevnění pro optimalizaci procesu válcování švových nerezových trubek, bakalářská práce, FVTM UJEP, 2011 [6] STASIAK BETLEJEWSKA R., BORKOWSKI S. Stability of the Quality of Pipes of the Seam, Quality Materials Improvement, Elaboration and Scientific Editing by Borkowski S., Dyja H., Wyd. EDIS Publishing company, University of Żilina, Żilina, 2007, Slovakia Republic, ISBN [7] ŤAVODOVÁ, M. Využitie vybraných metód zlepšovania kvality pri hodnotení príčin reklamácii. Acta facultatis, Fakulta environmentálnej a výrobnej techniky, Zvolen, Technická univerzita vo Zvolene,. 2006, Roč. 10, č.1, ISSN [8] MACHEK, V. Tenké ocelové pásy a plechy válcované za studena, SNTL, Praha [9] VLACH, B., FORET, R. Mechanické vlastnosti pevných látek (zejména kovů) [online]. Ústav materiálových věd a inženýrství, FSI VUT Brno [ ], Dostupné na www: [10] ŽIDEK, M., DĚDEK, V., SOMMER, B. Tváření oceli, SNTL, Praha,

173 Abstract Article: Hardening of the rolling stainless steel pipes Author: Náprstková, Nataša, Ing., Ph.D Richter Zdeněk, MSc. Workplace: Faculty of Production Technology and Management, JEPU in Ustí nad Labem Keywords: pipe, hardening, forming, roll The aim of this article was to analyze the influence of individual parts of the forming line for the production of stainless steel seam tubes on the hardening of final pipes and propose measures to eliminate this hardening. It was processed for rolling tubes of ferritic stainless steel (EN ). As previously mentioned, the degree of hardening was evaluated by tensile tests in three ways: from the contractual relationship of yield strength and tensile strength, elongation, and the total strain gauge extension measured by extensometer at maximum load of the test sample. Samples, from which were carved out of the test segments for tensile test were taken before and behind each roll. The rate of hardening was then evaluated for the entire circumference of pipe, which was found in the degree of hardening of line parts, and for specific segments of pipe, from which was found in which pipe segment is the greatest hardening. Based on the evaluation of the measured and calculated values was created conclusion that the greatest hardening occurs at the finishing rolls in forming a coil, which is caused by use of inappropriate rolls, primarily designed and dimensioned for manufacturing tubes of the same diameter, but larger wall thickness. Furthermore, it was found that the greatest hardening occurs in the pipe segment 180. Based on this it was recommended due to the reduction of hardening change the formation to the so-called Bottom line, which would consist in setting the forming rolls, so that in all line steps the coil bottom was positioned horizontally (at the same height) and was therefore only the transverse edges forming and not the cupping as in the current state. These recommendations may help to increase the capacity of the subsequent processes at the customer and thus to reduce the number of customer complaints. 173

174 Application of Barkhausen Noise for Analysis of Surface Integrity after Hard Turning 1 Prof. Dr. Ing. Miroslav Neslušan, Ing. Vladislav Ochodek, Ing. Martin Rosipal 1, Ing. Kamil Kolařík, PhD.2 Department of Machining and Manufacturing Engineering, Faculty of Mechanical Engineering, University of Žilina, Univerzitná 1, , Slovak Republic, miroslav.neslusan@fstroj.utc.sk, 2 TU Liberec Introduction into problems - This paper deals with the application of Barkhausen noise for investigation of residual stresses after hard turning. Results illustrate the differences in stress distribution after hard turning and grinding. The analysis of stress state shows that the conventional evaluation of Barkhausen noise fails and monitoring of surface integrity will require a subsequent modified approach. The main reason for it is a more complicated relationship between stresses, surface hardness and structure. And so the modified approach is described for monitoring surface integrity after hard turning operation. This modification is based on biaxial stress with the high correlation to process of tool wear. The main idea is based on the non proportional increase of stress in the different directions. Key words: residual stress, hard turning, Barkhausen noise 1 Introduction Barkhausen noise is the progressive non destructive testing method for evaluation of surface integrity. This method is very fast a suitable for fast response process monitoring. Theoretical aspect of Barkhausen noise physical principle and associated aspects was reported [1, 2]. Many papers were focused on machining process especially on grinding operation [1, 2]. Surface thermal damage is easily detectable through the conventional approach based on evaluation of RMS values of Barkhausen magnetic noise. Hard turning process is applied to finishing processes of parts in complicated shapes. Stress state, surface hardness and structure during hard turning completely differ from grinding process. Hard turning operations cause the formation of compressive stress in deeper layers under the surface [3]. In the case of grinding, the compressive stresses are usually only on the near surface. Tool wear shifts these stresses to a tensile area [4]. Mechanism of surface formation during hard turning is more complicated, this mechanism involves a very intensive plastic deformation, high temperatures, and high cooling rate. These aspects lead to the structure transformations of surfaces. Usually sandwich structure is formed as a combination of a white layer on the surface and a dark layer in the deeper layers [5]. This character of surface can be observed on the surface when the white layer is not formed (Fig. 1). Fig. 1 illustrates that in the case of ground surfaces the thickness of hardened layer (associated with the mechanical load) is lower, and the thickness of the dark layer (associated with the thermal load) is higher that that for turning process. The formation of the white layers is connected with the tensile stresses. The character of white layers, hardness, stress state and chemical composition is different for grinding and turning [4]. The risk of a thermal damage during grinding is high but white layers are not usually formed. On the other hand, the intensive thermoplastic deformation during turning causes the formation of white layers in a very short time in connection with the tool wear. An increasing tool wear increases the thickness of white layers. This difference has to be associated with the different condition in the tool workpiece contact and the time of surface exposure (thermal and mechanical load). While grinding operations can cause the intensive diffusion processes, chemical composition of white layers after hard turning does not differ from the chemical composition of the deeper layers [4]. Because of the differences in the structure, stress and hardness state of surface it is assumed that the associated Barkhausen noise signals for both operations will be different. a) finishing grinding b) hard turning Fig. 1 Sandwich structure after grinding and turning [4] 174

175 2 Conditions of experiments The experimental study was carried out on roll bearing steel 100Cr6 (hardened - 62 HRC, and annealed 27 HRC), 56 mm in external diameter, 40 mm in internal diameter, 125 and 10 mm in length. Tab. 1 Experimental conditions during hard turning TiC reinforced Al2O3 ceramic inserts DNGA (TiN coating), rake angle γn= -7º vc = 100 m.min-1, f = 0,09 mm, ap = 0,25 mm, dry cutting CNC Lathe Hurco TM8 Cutting tool: Cutting condition: Machine tool: Tool wear during turning were measured under the microscope BK5. The analysis of stress state was carried out on rings (3 rings per each serie) in 8 points on the periphery of the rings. The area of the envelope curve of Barkhausen noise MBN (related to stress state of surface) was analyzed. Parts 125 mm in length were applied to long term interaction (wear). Rings 10 mm in width were applied to the analysis of stress and structure, Fig. 2. The rings were investigated after certain intervals represented by a certain volume of removed material (Tab. 2). Turning operations were carried as a 1 pass of tool (cutting depth 0,25 mm). Evaluation of Barkhausen noise were carried out on device Meb2c with probe Meb-2c1 (amplifier gain G= 25[dB], threshold voltage switch P3=2, magnetization current-driving a magnet core-has triangular waveform with frequency 10 Hz and amplitude 100mA, software package MEB2cCV1V2). Tab. 2 Intervals of measurements of rings and related removed material n V (cm3) 0 6, Fig. 2 Illustration of experimental setup 3 Conventional noise processing Fig. 3 and Fig. 4 illustrate that increasing surface thermal damage associated with the progressive grinding wheel wear can be easily detected through the conventional Barkhausen noise processing. Fig. 3 illustrates values of area of Barkhausen noise envelope curves (MBN). The stable stage of the relative low surface thermal load is visible with the following the steep increase after that. Increasing MNB values correlates with the increasing thickness of Heat Affected Zone (HAZ) and also formation of White Layer (WL), Fig. 4. Conventional Barkhausen noise processing is sensitive to increasing thermal load and also strongly correlates with the shift of residual stresses to the tensile stress. Turning process leads to a different character of structure, hardness and stresses distribution. Material removal process is performed as a one pass of cutting tool. Because of high removal rates at the negative geometry of cutting inserts, the thrust force is very high. The determining factors considering surface integrity are processes in tool workpiece contact. Machined surface is exposed to a very high mechanical and thermal load. This load increases with increasing tool wear VB. Some experimental and analytic studies show that temperatures in this contact usually overcome 1100ºC [6]. The intensive mechanical load in the cutting zone is associated with the high thickness of material that underflows the cutting edge. 175

176 HAZ Thickness (µm) removed material (cm3) 0 0 Fig. 3 Influence of grinding wheel wear on area of Barkhausen noise during grinding 20 Fig removed material (cm3) Influence of grinding wheel wear on thickness of HAZ and WL after grinding 0, , VB 0,3 450 Fp VB (mm) 40 0, , ,15 Fp (N) MNB (mv) 500 WL 300 0, , removed material (cm ) Fig. 5 Influence of removed material on VB and thrust force Fp for tuning The relation between the thrust force and wear value VB determines the final state of surface integrity. This relation illustrates Fig. 5. The initial stage of cutting process causes the gentle decrease in the thrust force. This decrease is associated with the significant changes in cutting tool geometry (formation of a crater on tool rake). Then the thrust force increases in connection with increasing tool wear VB at the tool back. In connection with an increase of the VB area of the tool workpiece contact, the time of thermal and mechanical load of the surface is increasing. The normal phase of cutting process is associated with the stable interval with the low intensity of tool wear VB. Above the certain limiting values (in connection with increasing mechanical load) character of tool wear changes. The normal phase represents the microscopic breakage of a cutting edge. The final stages represent the massive breakage of macroscopic volumes of tool material. Shape, geometry and dimension of tool significantly change in the final stages of cutting process. This macroscopic character of tool wear leads to removal of a certain area of VB. Therefore the significant decrease in the thrust force can be observed at the end of the cutting process (Fig. 5). Thermal and mechanical load significantly change in connection with these processes. The variation of thermal and mechanical load during turning is more complicated than that for grinding process. In association with these changes, derived MBN values of Barkhausen noise are not monotone as illustrates Fig. 7. The local minimum can be viewed in the area V = 60 cm3. From this point of view grinding processes are more suitable for monitoring through Barkhausen noise than those after turning processes. Grinding process leads to increase in thickness of heat affected zone. The influence of white layer formation is low because these layers are much thinner than thickness of heat affected zone. Moreover, hardness of surface after grinding is decreasing. Both aspects affect Barkhausen noise signals in the same way (increasing area and amplitude). The relation between the tool wear, mechanical and thermal load of surface and surface integrity (derived from Barkhausen noise parameters MBN) is more complicated. The process of tool wear shift the residual stresses to the tensile area, but hardness of surface is increasing because of formation of white layers on the surface (hardness of the white layer is higher than the deeper layers under the surface about 1000 HV while in deeper layers only 760 HV [4]). The white layers is continuous and ration between thickness of white layers and heat affected zone is from 20 to 55% (in grinding operation only from 6,5 to 10%). The thickness of the heat affected zone is low (up to 12 µm, Fig. 6 and 8). Increasing hardness of surface layers eliminates the activity of Bloch walls and so decreases the amplitude and area of envelope curves of Barkhausen noise. On the contrary, tensile stresses increase the amplitude and area of envelope curves of Barkhausen noise. The analyzed parameters of Barkhausen noise envelope curves (area and amplitude) do not 176

177 change in a monotone way and so it is difficult to apply these parameters for process monitoring. The structure of surface, texture of the surface and the next aspects take a significant role. Moreover, the different process of heat treatment and related different structure and hardness significantly affects the magnetoelastic response of surface. Increasing hardness of a structure causes the decreasing amplitude of envelope curves of Barkhausen noise despite of the increasing tensile stress of a structure. Therefore, it is necessary to modify experimental and analytical approaches and analyze other parameters of Barkhausen noise envelope curves. HAZ MBN (mv) thickness (µm) 700 WL removed material (cm3) removed material (cm3) Fig. 6 Influence of wear on thickness of heat affected zone and white layers during turning Fig. 7 Influence of tool wear on area of Barkhausen noise after turning a) ring n.11, V = 37 cm3 b) ring n.16, V = 87 cm3 Fig. 8 Microstructure of machined material after turning 4 Modified data processing It is well known that progressive tool wear VB causes the progressive increases of WL thickness. On the contrary of this phenomenon, MBN value of Barkhausen noise does not increase and only vary. And so, it was necessary to carry out the additional experimental study (MicroScan 5.2.1, mag. frequency 125 Hz, voltage 5,5 V, 10 bursts). The results of conventional data processing are illustrated in Fig. 9. Fig. 9 illustrates that conventional data processing (monitoring of surface integrity by conventional way fails and this approach should be modified to find the suitable solution. The new data processing should determine the parameter which will enable monitoring of WL thickness and associated aspects of its formation (shift of residual stresses to tensile stress, increasing surface hardness and transformation of structure). First of all, some aspects form difficulties as the reasons of conventional approach failure. One of them is based on the different stress state after heat treatment as illustrates Fig. 11. Ground surfaces are not sensitive to this phenomenon because the magnetic field penetration and excitation depth is nearly the same or lower than thickness of HAZ. On the other hand, thickness of HAZ is much lower and Barkhausen noise signal is loaded with the variation of stress differences after the heat treatment. This way the previous technological operation takes a significant role and stress variation form the background load of the signal connected with the surface form by hard tuning. The next significant aspect is associated with the deformation of ring after heat treatment as illustrates Fig. 10. Turning operations are carried out per 1 pass of tool and so the part deformation causes instability of cutting process (Fig. 12). Because of variable ring profile and wall thickness cutting depth vary. This variation is connected with the variable mechanical and thermal load of machined surface and therefore variable state of surface integrity as illustrates Fig. 13. From this point of view, evaluation of surface integrity can not be evaluated as a single point on the surface, but must be considered as a statistical value (for example average values of the different points on the surface). The most suitable data processing is based on the dynamic mode but disadvantage of this mode is connected with the signal suppression. 177

178 1,6 1,4 raw MBN (mv) 1, , , progressive increase of WL thickness ,4 0, Ring number Fig. 9 Influence of the consecutive machined rings on raw MBN values (before calibration) roundness deviation (µm) µm Fig. 10 ring profile after heat treatment MBN (mv) Fig. 11 variation of MBN values of different rings after heat treatment time (s) Fig. 12 record of passive force and vibration during hard turning influence of cutting depth variation 12 MBN (mv) Fig. 13 example of MBN values distribution after hard turning Significant role considering Barkhausen noise response and signal interpretation is connected with increasing content of austenite in the WL. As illustrate Fig. 14, content of austenite increases with the increasing thickness of WL. It is well known that austenite is not ferromagnetic material and so despite the excitation magnetic of external magnetic field the real magnetoelastic response is decreasing because of increasing austenite content in the structure of WL. Final solution for suitable data modification or processing was based on the different approaches such as increasing frequency of magnetic field, analyses of parameters derived from the envelope curve or hysteresis loop, etc. All these attempts failed. The solution of this problem can be found in the biaxial stress analysis as illustrates Fig. 15. Additional rationing of signal measured in the different directions (tangential and axial) rises the suitable parameter. This parameter R is expressed as a ratio between RMS value of Barkhausen noise in the tangential and axial direction (Fig. 15). As 178

179 austenite content (%) structure illustrates Fig. 16, this ratio increases with increasing tool wear and so increasing WL thickness. The technological (or physical) explanation of this phenomenon is derived from the primary direction of tool wear VB. Progressive tool wear VB increases length of workpiece and tool constant but first of all in the direction of the main cutting movement associated with the cutting speed. Increasing tool workpiece contact increases thermal and mechanical load of machined surface (longer interval of load exposition). On the other hand, axial direction is more stable. This way the relative parameter for surface integrity is established. While correlation index considering conventional data processing (in connection with WL thickness) is only 0,52, the modified approach reach correlation index 0,92. Fig. 14 Influence of WL thickness on austenite content [8] Fig.15 Influence of tool wear VB on ratio R 6 5,5 5 R(-) 4,5 4 3,5 3 2,5 2 2a 3a 5a 7a 12a 13a 15a 19a 21a 23a 26a 28a 29a 31a 33a Ring number Fig. 16 Progress of R increase with the consecutive machined rings (rings number) Acknowledgment This project is solved under the financial support of VEGA agency and project MSM References [1] B. Karpuchewski, Introduction to micromagnetic techniques, ICBM1 report, Hanover [2] I. Altpeter, I., W.Theiner, W., R. BECKER, Eigenspannungsmessung an stal deer Güte 22 NiMoCr 37 mit magnetischen und magnetoelastischen Prüfverfahren, 4th Intern.Conf.on NDE in Nuclear Industry, Lindau1981. [3] Y. Matsumoto, F. Hashimoto, G. LAHOTI, Surface Integrity Generated by Precision Hard Turning, CIRP Annals 48/1/1999, p [4] D. Brandt, Randzonenbeeinflussung beim Hartdrehen, Dr.-Ing. Dissertation, Universität-Hannover, [5] F. Hashimoto, Y.B. Guo, A.W. Waren, Surface Integrity Difference between Hard Turned and Ground Surfaces and its Impact on Fatigue Life, CIRP Annals 55/1/2006, p [6] J.Y. Wang, C.R.Liu, The effect of Tool Flank Wear on the Heat Transfer, Thermal Damage and Cutting Mechanics in Finishing Hard Turning, CIRP Annals, 48/1/1999, p

180 Drsnost povrchu při broušení kalených ocelí. Martin Novák, Ing., Ph.D. Katedra technologií a materiálového inženýrství, Fakulta výrobních technologií a managementu, UJEP v Ústí n. Labem. novak@fvtm.ujep.cz Ve strojírenské praxi výroby strojních součástí mají své nezastupitelné místo kalené oceli. Jsou využívány pro jejich rozmanité mechanické vlastnosti, které se řízeným tepelným zpracování ještě zvyšují. Jedná se zejména o zvyšování pevnosti a tvrdosti. Současně však těmito procesy zvyšujeme křehkost těchto materiálů a snižujeme houževnatosti. Uvedené vlastnosti významně ovlivňuj obrobitelnost kalených ocelí. Při požadavcích na jakost obrobeného povrchu je technologie broušení významným činitelem dokončovacích technologií obrábění. Vzhledem k podstatě této technologie je obráběný povrch více namáhán. S tím souvisí i nutnost volby optimálních řezných podmínek a vyhodnocení jakosti obrobeného povrchu. V tomto hodnocení se zaměřujeme na základní parametry jakosti obrobené plochy, jakými jsou např. profil a drsnost povrchu, geometrická přesnost, zbytková napětí a změny tvrdosti. Tyto vyhodnocované parametry následně popisují jakost a stav povrchu po obrobení a jsou výchozími informacemi pro stanovení únosnosti a životnosti součásti včetně přihlédnutí na umístění součásti v konkrétním stroji a prostředí. Klíčová slova: Broušení, drsnost povrchu, jakost obrobeného povrchu, řezné podmínky 1 Úvod Problematika broušení a kvality nově vytvářeného povrchu součásti včetně kvalitativního hodnocení jakosti povrchu a povrchové vrstvy jde napříč celým strojírenstvím, zasahuje a dotýká se množství příbuzných oborů. Toto téma je velmi příbuzné s jakoukoliv technologickou operací obrábění, protože při každém procesu obrábění vzniká nových povrch, který je souborem určitých kvalitativních parametrů. Našim cílem je tyto parametry vyhodnotit a na jejich základě stanovit, zda použité řezné podmínky, které v sobě zahrnují řadů činitelů, jsou vhodně zvoleny a zda jsou splněny požadované hodnoty přesnosti, tolerancí a odchylek. Z těchto informací také následně určujeme vhodnost součásti pro použití v předem daných aplikacích, prostředích a zařízení. Získané informace jsou cenným zdrojem i pro konstruktéry a vývojáře nových nástrojů, ať již z hlediska tvaru, geometrie, působení řezných sil, tepelné vodivosti a ostatních konstrukčních prvků na nástroji, tak i z hlediska výzkumu nových abrazivních materiálů s řízenou pórovitostí, definovanou geometrií ostří, pojiv a přísad zlepšujících celkový proces broušení z hlediska minimálního vzniku tepla vzájemným záběrem a optimálního třecího poměru mezi nástrojem a obrobkem. Všechny tyto poznatky jsou i podkladovými činiteli pro samotnou konstrukci obráběcích strojů a nástrojů, vývoj řezných a chladicích kapalin na ekologické bázi včetně používání multifunkčních kapalin. Neopomenutelnou oblastí je i oblast ekonomická. Neustálá snaha podniku tlačit výrobních náklady co nejníže dolů oproti konkurenci, avšak vyrábět ve stejné, nebo lepší kvalitě je dalším rozhodujícím faktorem úspěšné výroby a konkurenceschopnosti výrobního podniku. Tato problematika je spojena se snižováním strojních časů, časů na výměnu, ostření a ostatních časů, se kterými se při výrobě součástí počítá. Pro současné trendy zvyšování řezných rychlostí, redukce procesních kapalin, nasazování CNC strojů, obráběcích center s vysokou produktivitou a výkonem je tedy potřebný výzkum kvality povrchu z hlediska jeho únosnosti a odolnosti proti degradačním stavům. Na prvním místě je vždy snaha o minimalizaci výrobních nákladů. Tato snaha v sobě zahrnuje již výše popsané postupy a opatření. Našim cílem a cílem této práce je zjišťovat, jak se mění kvalitativní parametry povrchu a povrchové vrstvy v závislosti na změnách řezných podmínek při broušení a zda nově vzniklý povrch je schopen pracovat v konkrétních aplikacích, zařízení a odolávat účinkům vnějšího okolí. Prvotním krokem je volba řezných podmínek při broušení, tedy za jakých podmínek je součást či materiál obráběn. Tato volba nám pak ovlivňuje následnou kvalitu povrchu. Kvalitu povrchu a povrchové vrstvy ovlivňuje samozřejmě i druh použitého materiálu a stupeň tepelného zpracování. 2 Experimentální část Příprava experimentální části se věnuje výběru materiálů, které mají své neodmyslitelné zastoupení jako strojní součásti v mnoha zařízeních. Vhodnost a použití těchto materiálů spočívá také v jejich chemickém složení, schopnosti kalitelnosti a tím dosažení zvýšení vybraných mechanických vlastností. 2.1 Broušené materiály Výběr materiálů, které byly v rámci experimentu broušeny, vycházejí z praktických použití jednotlivých materiálů ve strojírenství. Různé druhy materiál se používají v mnoha zařízení a také jsou na ně kladeny jiné nároky z pohledu zajištěných mechanických vlastností, zejména pevnosti, tvrdosti či houževnatosti. Materiály v přirozeném stavu jsou souborem fyzikálních, chemických a mechanických vlastností, které vychází z výroby daného polotovaru a ve většině případů však nevyhovují nárokům a požadavkům na materiál součástí, který mají pracovat v určeném strojním zařízení. 180

181 Každá tato součást pracuje tedy v určitém pracovním prostředí, při určitém zatížení a namáhání. Tyto součásti jsou vystaveny účinkům ostatních dílů, se kterými mohou tvořit složitější mechanizmy, zajišťující různé druhy pohybů, přenos sil či momentů a ostatních požadavků na součásti. Proto jsou na tyto strojní součásti kladeny důrazy z pohledu zajištěných mechanických vlastností, zejména pak nároky na pevnost, tvrdost, houževnatost a tažnost. Dosažení požadovaných vlastností se uskutečňuje jednak při samotné výrobě polotovaru materiálu součásti (chemické složení legující prvky) nebo tepelným zpracováním, které zajišťuje požadované mechanické vlastnosti. Na základě výše uvedených požadavků byly zvoleny dva druhy materiálů, které se velmi často používají jako materiály strojních součástí, zvláště namáhaných a u kterých je požadavek na zvyšování mechanických vlastností. Jsou jimi oceli EN ISO C55E a EN ISO 100Cr6. Oba tyto materiály byly zakaleny a následně popuštěny na tvrdosti EN ISO C55E 59 HRC a EN ISO 100Cr6 na 62 HRC. 2.2 Řezné podmínky Proces broušení je vysoce dynamický děj, při kterém, na rozdíl od konvenčních technologií obrábění, jsou v záběru stovky až tisíce zrn břitu najednou. Tento záběr výrazným způsobem ovlivní následnou jakost obrobené plochy, pokud stanovíme nesprávné řezné podmínky. Do řezných podmínek při broušení zahrnujeme brousicí nástroj, řeznou rychlost nástroje a rychlost obrobku, dále pak přísuv nebo podélný posuv, hloubku úběru a samozřejmě i řezné prostředí. Volba nástroje (brousicího kotouče) vychází z druhu broušeného materiálu, jeho chemického složení a mechanických vlastností. Při broušení kalených ocelí se dobře uplatní kotouče se zrny CBN, případně umělého korundu (Al2O3). Vliv těchto materiálů na jakost obrobené plochy je popsán v mnoha příspěvcích vědeckých pracovišť. Povrch je nerovnoměrně zatěžován, což může způsobit negativní projevy v následné jakosti obrobené plochy, zejména pak drsnosti a profilu povrchu, tvrdosti a zbytkových napětí. Snaha je tedy o nalezení takových materiálů či technologie výroby zrn tak, aby došlo alespoň k částečné možnosti definování geometrie zrna. Tyto potřeby se rozvíjejí u nově připravovaných zrn s tzv. řízenou pórovitostí, která označujeme jako SG, TG a DG. Zde se dostává do popředí nový druh technologie broušení, které je založeno na spojení geometricky přesně orientovaných zrn v monolitní celek. Hovoříme zde o tzv. mikrofrézování, jehož podstata spojuje výhody technologických operací broušení a frézování, tj. geometrie zrn má jistý popsaný charakter a tato zrna jsou spojena v jeden monolitní celek. V rámci experimentu byly použity tyto řezné podmínky pro jednotlivé vzorky: nástroje brousicí kotouče 30% SG K 8V a 30% SG 80 J 10V řezná rychlost vc 35 a 40 m.sec-1, rychlost přísuvu vf 0,26 a 0,42 mm.min-1 (zapichovací způsob broušení), obvodová rychlost obrobku vw 20 m.min-1, hloubka úběru ae 0,3 mm, řezné prostředí minerální olej Finol P100K a polysyntetický 5 % vodný roztok. Obr. 1 Ukázka pracoviště broušení Fig. 1 Grinding workplace 3 Hodnocení jakosti obrobené plochy Každá obrobená plocha je souborem určitých kvalitativních činitelů, které souhrnně nazýváme integrita povrchu. Tento pojem v sobě zahrnuje určené složky integrity povrchu, prostřednictvím kterých popisujeme jakost a stav povrchu. K popisu stavu a jakosti obrobeného povrchu používáme jednotlivé parametry každé složky, kterými hodnotíme jakost obrobené plochy. 181

182 Ve vztahu k řezným podmínkám při broušení musíme uvažovat tyto faktory, které ovlivňují integritu povrchu: materiál nástroje (materiál zrn, pojivo, ostřivo, tepelná vodivost), řezná rychlost, přísuv, řezné prostředí, kinematické, dynamické účinky a tuhost soustavy S-N-O-P. V rámci provedeného experimentu a studia vlivu řezných podmínek na jakost obrobené plochy, budou hodnoceny následující složky integrity povrchu. Toto hodnocení bude provedeno u všech vzorků a bude základem pro posouzení vlivu řezných podmínek na jakost obrobené plochy. 3.1 Drsnost povrchu a jeho profil Drsnost povrchu a jeho profil patří mezi základní ukazatele jakosti povrchu a povrchové vrstvy. V průmyslové praxi je také nejčastěji využívána, hodnoty drsnosti jsou předepisovány na výkresech součástí, čímž jasně definují, za jakých řezných podmínek a jakými nástroji bude součást a příslušná plocha obráběna. S tímto je také spojena třída přesnosti IT, která se s kvalitou povrchu úzce spojuje. Čím vyšší nárok na kvalitu povrchu, tím se zvyšuje i třída přesnosti V mnoha případech v praxi se stává, že je předepisována vysoká kvalita povrchu v parametru drsnosti, čímž se zbytečně a neekonomicky zvyšují výrobní náklady. Tento problém je ve většině případů spojen s estetickou stránkou výroby součásti, ale ta s kvalitou povrchu, která nás zajímá, nemá nic společného. V současné době je drsnost povrchu a jeho profil přesně popsán a dán normou ČSN EN ISO Tato norma definuje parametry drsnosti povrchu, profilu a materiálového podílu. Určuje výpočet a klasifikaci přípustných nerovností, způsobu jejich hodnocení a označování. Na Obr. 2 je ukázán obecný profil povrchu. Je zřetelné, že obraz povrchu, resp. jeho topologie je značně členitá. Množství výstupků označených Zpn a množství prohlubní označených Zvn nám ukazuje skutečný obraz a poskytuje informace o množství nerovností uvnitř měřené délky. Obr. 2 Topologie povrchu materiálu v zobrazení 2D Fig. 2 Surface topology, 2D Norma ČSN EN ISO 4287 popisuje velké množství parametrů drsnosti povrchu, jejich výpočet a hodnocení. V současnosti existuje přes 250 různých parametrů, kterými lze hodnotit a popisovat drsnost povrchu. Každé odvětví průmyslu zavádí své parametry, metodiku jejich hodnocení a měření. V podmínkách běžného strojírenství využíváme nejčastěji používané a na výkresech součástí předepisované parametry. Jsou jimi zejména Ra, Rz, Rq, Rt a křivka materiálového (nosného) podílu. Obr. 3 Skutečný profil plochy broušeného kaleného materiálu EN ISO 100Cr6 Fig. 3 Real ground surface profile of hardened steel, EN ISO 100Cr6 Na obr. 3 je ukázka skutečného profilu broušeného povrchu materiálu EN ISO 100Cr6. Nulová čára s označením 0.0 rozděluje profil na dvě části, a to na část výstupků, které jsou v kladných + hodnotách a na 182

183 část, které jde do záporných hodnot, tedy oblast prohlubní. Přístroj vyhodnotí zadané parametry, jak je ukázáno na zmíněném obrázku. Měření bylo provedeno pomocí přístroje Hommel Tester T1000, jak je ukázáno na obr. 4. Tento přístroj vyhodnotí profil povrchu na základě pohybu hrotu snímače po měřeném povrchu a zobrazí jej do vyhodnocovacího programu. Obr. 4 Přístroj na měření drsnosti povrchu a jeho profilu Fig. 4 Device for roughness and surface profile measurement Obr. 5 Nosný podíl plochy broušeného kaleného materiálu, ocel 100Cr6 Fig. 5 Material portion of surface profile, steel EN ISO 100Cr6 Dalším parametrem, kterým lze popsat profil povrchu je křivka materiálového poměru profilu (Abbott Firestonova křivka). Na Obr. 5 je ukázka nosné křivky pro profil povrchu dle Obr. 3. Tato křivka má význam zejména pro jednotlivé technologie dokončovacích operací z hlediska posuzování funkčnosti obráběných povrchů, jejich zatěžování a problematiky opotřebení a mazání. V praxi se tato křivka nahrazuje přímkami, pak tedy horní část (Rpk) odpovídá výstupkům povrchu, střední část (Rk) odpovídá jádru profilu a spodní část křivky (Rvk) popisuje velikost a četnost prohlubní na povrchu. Hodnota Rpk představuje část profilu povrchu, která se při zatížení rychle opotřebovává a je využitelná pro posuzování charakteru i rychlosti např. zabíhání kluzných i valivých ložisek. Cílem technologie výroby by mělo být dokončení funkčního povrchu s nejmenší hodnotou Rpk. Hodnota Rvk může být významná, např. pro mazání kontaktních povrchů (tj. pro udržení maziva v místě styku povrchů). Například pro litinové vložky válců se ukázalo vhodné dokončení povrchu s velkými hodnotami Rvk.1) 4 Profil povrchu drsnost Profil povrchu je základním parametrem jakosti obrobené plochy a vztahuje s k němu množství tolerancí a odchylek. V tomto experimentu jsem se zabýval hodnocením základních parametrů profilu povrchu, jak bude 1) NOVÁK, Zdeněk. Zvyšování kvality hodnocení struktury povrchu. MM Spektrum [online]. 2004, roč. 12, č [cit ], s Dostupný z WWW: < 183

184 uvedeno dále. Porovnány budou jednotlivé řezné podmínky a jejich vliv na změny profilu povrchu. 4.1 Vliv přísuvu a řezné rychlosti Řezná rychlost a přísuv jsou při broušení základními parametry řezných podmínek. Jejich velikost významným způsobem ovlivňuje velikost a směr oblasti primární plastické deformace a tím následné užitné vlastnosti obrobené plochy. Se zvyšující se řeznou rychlostí se oblast primární plastické deformace zužuje a natáčí se směrem k čelu nástroje. Opačně je tomu u rychlosti přísuvu, kde se zvyšující se hodnotou se oblast primární plastické deformace rozšiřuje a natáčí doleva směrem do obrobené plochy. a) b) Obr. 6 Vliv velikosti přísuvu na drsnost (Ra) obrobeného povrchu Fig. 6 Influence of feed speed on roughness parameter Ra of ground surface Na obr. 6 a) a b) vidíme, že změna velikosti řezné rychlosti nevyvolá výrazné změny v drsnosti povrchu. Hodnoty změny řezné rychlosti vc o 5 m.sec-1, vyvolají ovlivnění hodnot drsnosti povrchu, avšak jen v řádech setin µm. Stejné je tomu i vlivu rychlosti přísuvu vf, kdy se hodnoty drsnosti povrchu mění tak, jako je tomu u řezné rychlosti. Změny z obr. 6 jsou však patrné pro změnu procesní kapaliny. Vidíme, že při použití vodného roztoku oproti minerálnímu oleji dojde ke zlepšení drsnosti povrchu o přibližně 55 % u materiálu EN ISO C55E a u materiálu EN ISO 100Cr6 o přibližně 71 %. Vzájemná součinnost řezné rychlosti vc, rychlosti přísuvu vf a procesní kapaliny dává dobré možné v tom, jakých chceme dosáhnout hodnot drsnosti povrchu po broušení. 184

185 a) Vliv řezné rychlosti na drsnost povrchu Ra při přísuvu 0,26 mm.min-1 a BK A91/99 80J. Influenece of cutting speed on roughness Ra, feed speed 0.26 mm.min-1, grinding wheel: A91/99 80 J b) Vliv řezné rychlosti na drsnost povrchu Ra při přísuvu 0,42 mm.min-1 a BK A91/99 80J. Influenece of cutting speed on roughness, feed speed 0.42 mm.min -1, grinding wheel: A91/99 80 J 185

186 c) Vliv řezné rychlosti na drsnost povrchu Ra při přísuvu 0,26 mm.min -1 a BK AG92/99 150K Influenece of cutting speed on roughness, feed speed 0.26 mm.min -1, grinding wheel: A92/ K d) Vliv řezné rychlosti na drsnost povrchu Ra při přísuvu 0,42 mm.min -1 a BK AG92/99 150K Influenece of cutting speed on roughness, feed speed 0.42 mm.min -1, grinding wheel: A92/ K Obr. 7 Vliv řezné rychlosti na drsnost Ra obrobeného povrchu Fig. 7 Influence of cutting speed on roughness Ra of machined surface Na Obr. 7 jsou prezentovány hodnoty drsnosti povrchu pro změny velikosti řezné rychlosti při broušení. Z těchto obrázků lze pozorovat změny ve velikosti hodnot drsnosti povrchu a to pro oba broušené materiály. Vidíme, že vliv řezné rychlosti na drsnost povrchu se projevuje spíše ve snížení, resp. zvýšení hodnot drsnosti, a to v řádech setin mikrometrů. Výraznější změny hodnot drsnosti povrchu nalézáme opět u změny druhu procesí kapaliny, kde dochází k změně hodnot drsnosti povrchu v řádech desetin mikrometrů. 5 Závěry, diskuze Dílčí závěr při hodnocení drsnosti povrchu v parametru Ra tedy ukazuje významný vliv druhu použité procesní kapaliny při broušení těchto dvou druhů materiálů dvěma brousicími kotouči. Další parametry řezných podmínek, jako jsou přísuv a řezná rychlost, ovlivňují velikost drsnosti povrchu jen v nepatrných odchylkách hodnot. Dominantní vliv právě procesní kapaliny na drsnost povrchu spatřuji v tom, že při použití vodného roztoku Semix dochází ve všech sledovaných případech k výraznému zlepšení drsnosti povrchu dle parametru Ra (viz obr. 6 a 7), což může být způsobeno právě vlivem této kapaliny na zlepšení vzájemného styku nástroje a obrobku, její čistí schopnost a zamezení ucpávání pórů a zanášení zrn od materiálu obrobku. Rozsáhlost tohoto experimentu ukazuje významný vliv řezných podmínek při broušení na jakost obrobeného 186

187 povrchu. Postupně budou analyzovány i další složky integrity povrchu, jako je geometrická přesnost, tvrdost a zbytková napětí v povrchu. Poděkování Tento příspěvek vznik v rámci řešení Interního grantu UJEP řešícího problematiku obrábění strojních součástí automobilového průmyslu. Literatura [1] BAJČÍK, Š., MAJERÍK, J. Hodnotenie vplyvu strednej aritmetickej odchýlky profilu drsnosti Ra v závislosti od reznej rýchlosti pri brúsení vc. In Transfer 2008 : Využívanie nových poznatkov v strojárskej praxi [CD-ROM] vyd. Trenčín : Digital Graphic, ISBN [2] BÍLEK, O., LUKOVICS, I. Grinding Model creation. In Nové smery vo výrobných technologiách 2008 IXth International Scientific Conference. Prešov, Slovak Republic. FVT : TU in Presov s ISBN [3] ČILLIKOVÁ, M., SALAJ, J., MIČIETOVÁ, A., PILC, J. Influence of the cutting enviroment on the grinding of bearing steel. In IV. International Congress of precision machining. Kielce, Poland : Kielce University of Technology, Vol. 1. s ISBN [4] HOLEŠOVSKÝ, F., HRALA, M., ZELENKOVÁ, J. Proprieties of ground surface and significance of the grinding process. In IV. International Congress of precision machining. Kielce, Poland : Kielce University of Technology, Vol. 1. s ISBN [5] HOLEŠOVSKÝ, F., MICHNA, Š., NOVÁK, M. Studium změn broušené povrchové vrstvy při dynamickém zatěžování. Strojírenská technologie : Časopis pro vědu, výzkum a výrobu. FVTM UJEP : 2008, roč. XII, č. zvláštní, s ISSN [6] HOLEŠOVSKÝ, F., NÁPRSTKOVÁ, N. Influence of process liquid elimination on accuracy od quality of ground surface. In I. International Congress of precision machining. Ústí nad Labem, Czech Republic : ÚTŘV, J. E. Purkyne University s ISBN [7] JERSÁK, J. Cuuting forces during grinding - Simulation Analalysis and Modeling versus real process. In Nové smery vo výrobných technologiách 2004 VIIth International Scientific Conference. Prešov, Slovak Republic. FVT : TU in Presov s ISBN [8] KOCMAN, K. Analýza vývojových brousících kotoučů na bázi mikrokrystalického korundu. In Strojírenská technologie, 2010, roč. XVI., č.3. FVTM UJEP : Ústí n. Labem. s ISSN [9] KOCMAN, K., ZEMČÍK, O. Analysis of termodynamic effect when grinding. In Nové smery vo výrobných technologiách 2008 IXth International Scientific Conference. Prešov, Slovak Republic. FVT : TU in Presov s ISBN [10] LUKOVICS, I.; LUKOVICS, P. Vliv technologických podmínek na jakost broušené plochy pří výkonném broušení. In Strojírenská technologie, 2001, roč. VI., č.2, s.18. ISSN [11] MÁDL, J. Surface integrity and global problems. In Nové smery vo výrobných technologiách 2008 IXth International Scientific Conference. Prešov, Slovak Republic. FVT : TU in Presov s ISBN [12] MÁDL, J. Theoretical aspect of precise machining. In I. International Congress of precision machining. Ústí nad Labem, Czech Republic : ÚTŘV, J. E. Purkyne University s ISBN [13] MÁDL, J., HOLEŠOVSKÝ, F. Integrita obrobených povrchů z hlediska funkčních vlastností. Miroslav Sláma. 1. vyd. Ústí nad Labem : UJEP, FVTM Ústí n. Labem, s. ISBN [14] MARINESCU, I., D., AJ. Handbook of Machining with Grinding wheels. Boca Raton : CRC Press s. ISBN [15] MASLOV, J., N. Teorie broušení kovů. Praha : SNTL, s. [16] NÁPRSTKOVÁ, N., HOLEŠOVSKÝ, F. Aplikace software typu SCADA/HMI při monitorování procesu broušení. In Strojárská technológia 2004 : IV. medzinárodná vedecká konferencia pre doktoradndov, školitelov a pracovnikov z praxe vyd. Súĺov : EDIS/Žilinská univerzita, s ISBN [17] NESLUŠAN, M., ŠTEININGEROVÁ, J. Analýza kmitania progresívnych rezných nástrojov pri brúsení. Strojírenská technologie : Časopis pro vědu, výzkum a výrobu. FVTM UJEP : 2008, roč. XII, č. zvláštní, s ISSN

188 [18] NESLUŠNAN, M., TUREK, S., MINICH R. Štúdium kmitania pri brúsení na základe analýzy zložiek reznej sily. In Strojárská technológia 2004 : IV. medzinárodná vedecká konferencia pre doktoradndov, školitelov a pracovnikov z praxe vyd. Súĺov : EDIS/Žilinská univerzita, s ISBN [19] NOVÁK, M. Řezné podmínky a integrita povrchu při broušení kalených ocelí. In TechMat 08 : Perspektivní technologie a materiály pro technické aplikace vyd. Pardubice : Univerzita Pardubice, s ISBN [20] NOVÁK, M., HOLEŠOVSKÝ, F. Study of ground surface integrity. In Nové smery vo výrobných technologiách 2008 IXth International Scientific Conference. Prešov, Slovak Republic. FVT : TU in Presov s ISBN [21] VASILKO, K. Štúdium obrobiteľnosti materiálu podľa drsnosti obrobeného povrchu pri dokončovacom obrábaní. In II. International Congress of precision machining. Praha, Czech Republic. DMT FME : CTU in Prague s ISBN Abstract Article: Surface Roughness in Hardened Steels Grinding. Author: Martin Novak, Eng. MSc., Ph.D. Workplace: Faculty of Production Technology and Management, nad Labem. Czech Republic. Keywords: Cutting conditions, Grinding, Roughness, Surface quality Evaluation of surface quality is very important part of production technology area. The requirements of the customers on machined parts quality leads the producers to the continuous improvement of own technology and processes, implementation of advanced technology, use of the new material of workpiece or machine tools, new approach of heat treatment or changes of mechanical material proprieties. These methods and materials are dependent on the research surface quality after traditional machining or finishing technology. There is relation between systems of the tool machine workpiece. In the use of advanced technology (new types of cutting tools, geometry, material of tool, cutting conditions), machined material (mechanical proprieties, heat treatment, accuracy requirements) is necessary use the correct methods of surface quality evaluation. Surface roughness is evaluated from the surface profile. There are ISO Standards used in surface roughness evaluation. Roughness of surface includes to the basic parameters of evaluated components of surface quality. This experiment is focused on surface quality evaluation of ground hardened steels. We used two steel namely carbon steel EN ISO C55E and chromium steel EN ISO 100Cr6. Both materials were hardened and tempered on higher solidity and hardness. Materials were ground by different cutting conditions (cutting speed, speed of feed and coolant). By the surface roughness evaluation by parameter Ra is shown important influence of coolant kind by the grinding of these materials with two grinding wheels (different granularity of wheels). Others parameters of cutting conditions like cutting speed and feed speed are influencing surface roughness only in very small deviation values. The coolant is better in the use of the water solution than mineral oil use. This influence is supported by the values of surface roughness (Ra parameter) when we use the water solution we get better surface roughness as shown on fig. 6 and 8. The water solution like coolant influences mutual contact of tool and workpiece and his influence on affected zone of surface primary plastic deformation zone. The next part will be talked about surface profile with focusing on surface profile and material portion of surface profile Abbott-Firestone curve. 188

189 Increasing of Product Quality Produced by Rapid Prototyping Technology Prof. Ing. Jozef Novák-Marcinčin, PhD., Ing. Miroslav Janák, PhD., Ing. Ľudmila Nováková-Marcinčinová Faculty of Manufacturing Technologies, Technical University of Košice, Bayerova 1, Prešov, Slovakia In paper are presented basic characteristics and problems in area of Rapid Prototyping technology with use of layered production technology named Fused Deposition Modelling (FDM). It is progressive method of 3D model product creation based on geometry obtained from CAD system with application in different industrial areas. Text of the paper is focused on optimization of Rapid Prototyping preparation process. There also is algorithm that leads to selection of suitable setting conditions. Utilization of algorithm is explained on case of printing with use of UPrint device and Catalyst software. There are outputs in form of graph and tables accumulating information directly affecting economical and quality aspects of Rapid Prototyping production technology. Key words: Rapid Prototyping, product quality, suitable setting conditions 1 Introduction Rapid Prototyping represents the automatic creation of physical 3D objects using additive production technology. The first techniques for Rapid Prototyping became available in the late 1980s and were used to produce models of products and prototype parts. Today, they are used for a much wider range of applications and are even used to manufacture production-quality parts in relatively small numbers. The use of additive manufacturing for Rapid Prototyping takes virtual designs from Computer Aided Design (CAD) systems, transforms them into thin, virtual, horizontal crosssections and then creates successive layers until the model is complete. The primary advantage to additive fabrication is its ability to create almost any shape or geometric feature. 2 Problems of Rapid Prototyping technology application Although several rapid prototyping techniques exist, all employ the same basic five-step process. The steps are [9]: create a CAD model of the design, convert the CAD model to STL format, slice the STL file into thin cross-sectional layers, construct the model one layer atop another, clean and finish the model. First, the object to be built is modeled using a Computer-Aided Design (CAD) software package. Solid modelers, such as Pro/ENGINEER, tend to represent 3-D objects more accurately than wire-frame modelers such as AutoCAD, and will therefore yield better results. The designer can use a pre-existing CAD file or may wish to create one expressly for prototyping purposes. This process is identical for all of the RP build techniques. The various CAD packages use a number of different algorithms to represent solid objects. To establish consistency, the STL (stereolithography, the first RP technique) format has been adopted as the standard of the rapid prototyping industry. The second step, therefore, is to convert the CAD file into STL format. This format represents a three-dimensional surface as an assembly of planar triangles, "like the facets of a cut jewel." The file contains the coordinates of the vertices and the direction of the outward normal of each triangle. Because STL files use planar elements, they cannot represent curved surfaces exactly. Increasing the number of triangles improves the approximation, but at the cost of bigger file size. Large, complicated files require more time to pre-process and build, so the designer must balance accuracy with manageability to produce a useful STL file. Since the.stl format is universal, this process is identical for all of the RP build techniques. In the third step, a pre-processing program prepares the STL file to be built. Several programs are available, and most allow the user to adjust the size, location and orientation of the model. Build orientation is important for several reasons. First, properties of rapid prototypes vary from one coordinate direction to another. For example, prototypes are usually weaker and less accurate in the z (vertical) direction than in the x-y plane. In addition, part orientation partially determines the amount of time required to build the model. Placing the shortest dimension in the z direction reduces the number of layers, thereby shortening build time. The pre-processing software slices the STL model into a number of layers from 0.01 mm to 0.7 mm thick, depending on the build technique. The program may also generate an auxiliary structure to support the model during the build. Supports are useful for delicate features such as overhangs, internal cavities, and thin-walled sections. Each PR machine manufacturer supplies their own proprietary pre-processing software. The fourth step is the actual construction of the part. Using one of several techniques (described in the next section) RP machines build one layer at a time from polymers, paper, or powdered metal. Most machines are fairly autonomous, needing little human intervention. The final step is post-processing. This involves removing the prototype from the machine and detaching any supports. Some photosensitive materials need to be fully cured before use. Prototypes may also require minor cleaning and surface treatment. Sanding, sealing, and/or painting the model will improve its appearance and durability. Currently there is huge number of CAD software on the world market that allows constructors and designers to design the models according to their ideas that are used with addition of third dimension. Nowadays all CAD software 189

190 products provide functions and tools necessary for export of created models in STL format that is further used in Rapid Prototyping process. User of 3D technology can change spatial orientation according to his requirements. They should be based on functionality and corresponding quality of complicated surfaces (complex surfaces, planar surfaces under angle, cavities, holes) and also on expected proportion of used basic and support material with focus on economical matters. In most cases automatic mode can be chosen for definition of model position but in that case it is barely justified or explained on the base of functionality of some part surfaces. Next parameter that is important from the viewpoint of final quality and price is definition of thickness of single printed layer. With this parameter there is also related style of model and support material addition as two basic building substances used for prototype production. Material can be build as one unit or particular layers can be printed in grid with lower density what reduces the printing price [6]. Fig. 1 Model imported in Catalyst software for verification of economical impacts of different settings Factor of input data quality, factor of suitable software and physical part orientation and factor of relevant density and building layers style are most problematic aspects in process of realization of Rapid Prototyping technology [2]. Method of Rapid Prototyping (RP) is most commonly used for rapid production of new part intended for presentation purposes. Manufactured models can also be used for different tests and analyses, for example for testing of fluids flow, aerodynamic tests, confirmation of results of FEM and DEM analyses. Another application area is covered with verification of assembling procedures and checking on their kinematical and dynamical properties. Sphere of RP application is moving even to departments that are not typically industrial like health care, archaeology, biorobotics. Typical examples are successfully created prototypes or reconstructions of bones, joints, missing elements of museum objects. In frame of most modern approaches this method starts to be used in situations with hard conditions for classic manufacturing technologies space programs and detached external laboratories in hardly accessible regions. Created prototypes dramatically increase level of possible engineering interaction, as real 3D objects are easier to explain and understand as presented 2D ideas of models. For testing purposes the models can be printed in scale what can lead to lower requirements for testing forces, loads, etc. RP technology also shortens times for classical prototyping in sense of creating testing redesigning rebuilding and repeatedly. There is number of specific methods used in area of RP: Stereolithography (SLA), Selective Laser Sintering (SLS), Laminated Object Manufacturing (LOM), Fused Deposition Modelling (FDM), Solid Ground Curing (SGC) and Ink Jet printing techniques [1]. Last mentioned method is so far the most advanced process in terms of the range of mechanical properties of the generated metallic parts among all commercialised processes based on the layered manufacturing principle. It uses a high power laser focused onto a substrate to create a molten puddle on the substrate surface. Metal powder is injected into the melt pool to increase its volume. The powder ejection head moves according to the geometry of the first layer. After the first one new layers are built upon it until the entire object is reproduced. Involving of a substrate makes this process different from others. These methods utilize specific hardware devices (printers) that use their own software based on principle of reading and processing of input STL data. In spite of different manufacturers, such programs have the same characteristic features [7]: settings for single layer resolution, settings for density of model material, settings for density of support material and STL processing to layer mode. All these software solutions allow their user to change large number of different settings. Changes are made by user himself. Programs for preparation of 3D print make many actions easier and more automatic, but deciding process about particular parameters is still up to user. In case of using the automatic mode these decisions are made by program without explanation, so there is space for optimization of setting contrary to user criteria. Solution could be realized in implementation of deciding steps or automatic decision with actual information about reasons running on background, eventually together with information about parts already printed [4]. 3 Setting of key parameters for FDM technology process preparation For better orientation of user in process of setting of suitable parameters during the preparation of printing there was algorithm elaborated which accumulates all factors and steps that lead to selection of most suitable variant [8]. All the attempts were realized as a part of preparation stage for printing on UPrint machine that utilize FDM technology to build the prototype. This technology, developed by Stratasys, uses the software program to orient the model and generate building slices. Printer dispenses with basic building material and support material which is used if neces 190

191 sary for creation of holes, cavities, drafts, etc. Each material has its own nozzle. Creation of particular prototype layers with use FDM method is shown in following figure. Fig. 2 Schematic model of Fused Deposition Modelling technology First step is to define the surfaces and constructional points that represent functional features of part and thus they should condition requirements on quality. Considering these surfaces it is necessary to think about number and type of existing reference entities in model that can be used for part orientation. In case that STL data do not have required quality there is need to increase the number of polygons and re-export to STL format (STL editing). After importing of STL file we get to the part orientation. Commonly there is automatic option solved by several software procedures. These steps can be in contrary to user's requirements. Fig. 3 Algorithm created for RP preparation process 191

192 More effective way would often be manual orientation, where position of part is defined by relation of its surface or edge to the working board or to some coordinate axis of used environment. Available are also standard functions like rotation and scaling. With part oriented we can proceed to another settings that include style and density of particular printing layers. Value of minimal thickness of single layer is conditioned by hardware properties of printer or building material. There is parameter usually called Model interior, for setting of quality of basic building material. Among standard options there is Solid mode, advised by manufacturer, as printed material results in one whole. Other possibilities are Sparse-Low density and Sparse-high density. They save basic material by creating the grid of cavities inside the volume. Last mentioned options are applied mainly in huge models without requirement on technical functionality. Walls are partially weakened and have lower strength. Support fill is another parameter that is very similar to the previous one except for it defines the usage of support material. It is often applied for skew surfaces and holes. Common options are Minimum, Basic, Sparse and Surround. For construction reasons it is wise to use Sparse variant to avoid the wall crash because of their small thickness. Surround option on the other hand is used for complicated models. Support material then covers all the model and needs to be removed in special washing device. Lower settings for density and volume of used basic and support material answer to lower strength and functional properties but at the same time present assumption for lowering the cost of prototype creation. Models created by using low parameters are sufficient for most common application purposes for presentations. Higher parameters of quality mean longer printing times and higher energy consumption, but utilization possibility of such models is much higher as they can be used instead of real functional parts. Next step in RP preparation process is to define the location of the model on working board of printer. Goal is to optimally place printed model considering possibility of allocation of other prototypes (printed together or later) on the same printing board. After thinking of all mentioned parameters user is supposed to do the decision that should be based on information about printing economy, volumes of both kinds of material and relevant printing times. Good start for making such decision right is to have all information cumulated at one place and thus to have much better idea of expected printing results. In case of interest there is a way to get back to the part orientation step [3]. 4 Qualitative and quantitative aspects of rapid prototyping application Following example of preparation of FDM printing process describes the problems solved by previously mentioned algorithm. Model created in Pro/Engineer was exported in STL format and imported into Catalyst software. First the model was oriented as it can be seen on Fig. 2 left, while setting the quality of building material to value Solid a consequently to Sparse-high density and Sparse-Low density. After keeping the parameter of support material on Basic level we obtained data written in Tab. 1. Tab. 1 Output values of material usage and printing time for first model orientation Model 1 Model (cm3) Support (cm3) Time (h) Solid 231,23 10,05 7:22 Sparse high 176,75 10,04 7:12 Sparse Low 96,53 10,05 5:07 In another situation 3D model was applied to working board with different orientation. In this case the material parameter was also changed from Solid to Sparse-high density and Sparse-low density. Results are obtained in Tab. 2. The setting for support material was changed as well in following order: Minimum, Basic, Sparse and Surround. Information on relevant outputs can be found in Tab. 3. Tab. 2 Output values of material usage and printing time for second model orientation Model 2 Model (cm3) Support (cm3) Time (h) Solid 231,01 11,9 8:13 Sparse high 177,15 11,9 8:15 Sparse Low 98,2 11,9 6:05 Tab. 3 Output values of material usage and printing time for third model orientation Model 3 Model (cm3) Support (cm3) Time (h) Min. Basic Sparse 177,13 177,15 177,14 10,36 11,9 12,64 7:59 8:15 8:21 Surround 177,19 39,06 10:37 Presented figure is graphical expression of changes in support material application style based on values from previous tables. Curves describe dependence of printing time on usage level of support material. Areas expressing the character of printing from the viewpoint of its economy are situated between these curves. User can decide for concrete category according to expected or requested application field of printed part [7]. 192

193 Fig. 4 Dependencies of printing time on used material 5 Conclusion Technology of Rapid Prototyping with use of FDM technology belongs to progressive methods of model creation based on geometry obtained from CAD environment. It has versatility in different industrial spheres thanks to high flexibility and rapid prototype generation. This article was focused on optimization of RP preparation process. It described the algorithm that leads to selection of suitable settings. Utilization of such algorithm was explained on case of printing with use of UPrint device and Catalyst software. In form of graph and tables there are output values obtained from printing software. Assets for the future could lie in possibility of having all the necessary information at once and thus to make the right decision on proper settings variant based on real facts. Realization of such innovation can be achieved through generation of database that would process and archive all output data after printing of part models. Relations would be observed between chosen parameters of basic and support material, times of printing and quality, all including economical aspects. Acknowledgement Slovak Ministry of Education supported this work, contract VEGA No. 1/0036/09, KEGA No TUKE4/2010 and ITMS project code References [1] Gebhardt, A. Rapid Prototyping. Hanser Gardner Publications, 2003, 379 p., ISBN [2] Grimm, T. User's Guide to Rapid Prototyping. Society of Manufacturing Engineers, 2004, 404 p., ISBN [3] Hopkinson, N.; Haque, R.; Dickens, P. Rapid Manufacturing: An Industrial Revolution for the Digital Age. Wiley, Oxford, 2006, 304 p., ISBN [4] Chua, C. K., Leong, K. F., Lim, C. S.: Rapid Prototyping: Principles and Applications. World Scientific Publishing, Singapore, 2003, 420 p., ISBN [5] Jacobs, P. F. Rapid Prototyping & Manufacturing: Fundamentals of SteroLithography. Society of Manufacturing Engineers, 1992, 434 p., ISBN [6] Marcincin, J. N., Barna, J., Marcincinova, L. N., Fecova, V.: Analyses and solutions on technical and economical aspects of 3D printing technology. Technicki Vjestnik, Vol. 18, No. 4, 2011, ISSN [7] Marcincinova, L. N., Barna, J., Fecova, V., Janak, M., Marcincin, J. N.: Intelligent Design of Experimental Gearbox with Rapid Prototyping Technology Support. In: Proceedings of 15th International Conference on Intelligent Engineering Systems INES 2011, Obuda University Budapest, Poprad, 2011, p , ISBN [8] Marcincinova, L. N., Fecova, V., Marcincin, J. N., Janak, M., Barna, J.: Theoretical Aspects and Practical Experiences of Rapid Prototyping Technology Exploitation. In: Proceedings of the 4th Manufacturing Engineering Society International Conference MESIC 2011, Cadiz, 2011, pp [9] Najjar, L. J.: Rapid Prototyping. IBM Corporation, Software Usability Department, Atlanta,

194 The determination of mating surfaces for internal worm gear pairs Prof. Gábor PÁY, Ph.D*.,Prof. emer. Eugen PAY, Dr.H.C.** * University College of Nyíregyháza, Hungary 4400 Nyíregyháza, Kótaji St. 9-11, gaborp@nyf.hu ** North University of Baia Mare, Romania Baia Mare, Dr. Victor Baes St 62/A, paye@ubm.ro ABSTRACT The internal worm gearings are special worm gearings, which are composed by a helical worm and an internal teeth worm wheel. This paper presents the determination of mating surfaces based on the gear equation, for general case, when the angle between the axes is between 0 and 90 degrees. These solutions, with no perpendicular axis get possibility to reduce the dimension of worm wheel, without reducing the mating possibilities and the torque moment dimension. In this case the mathematical model is more difficult, then in best case when the axes are perpendicular, but are no problem with the bearing of worm. Also we present the mating variation of the mating surfaces when we change the angle between axes. Keywords: Internal worm gear pairs with no perpendicular axis 1. INTRODUCTION The internal worm gear pairs are a relative new kind of gear pairs which are composed by a helical worm and an internal teething worm wheel. In some point of view are similar with the globoid worm gear pairs, but in this case the angle between the axes can change between 0 and 90 degree. The best mating surfaces are at 90 degree (Figure 1.), but in this case the wheel must be very great dimension, because we must assure the bearing of worm. We developed the worm gear pairs with no perpendicular axis (Figure 2.) and in this case is not a problem the bearing of worm, and also, we can reduce the dimension of wheel. The theme of this paper is the determination of maximum angle which can realize in this general case, without the influence the mating limits. Follow, we present the mating possibilities using the mating equations. 2 THE MATHEMATICAL MODEL OF THE WORM GEAR PAIR In case of internal worm gearings we can realize three solutions: parallel axis, perpendicular axis and any axis if between the ax of worm and worm wheel the angle is between 0 and 90 degree [1], [2], [3]. The simple scheme of mathematical model for this general case is presented in figure 3. Making the matrix transformations and taking into account that the manufacturing tool of worm is with straight line, and its position is in the axis section of worm wheel, the equation of wormline which determinate the worm is the follow: je A ω2 1 2 α A A- A ω1 Ri2 2 Re2 R' Ro R" A 1 Figure 2. Internal worm gear pairs with axes between 0 and 90 degree Figure. 1.Internal worm gear pairs with perpendicular axes 194

195 z0 ϕ1 z1 a z1 * γ z2, z2* O1, O1*, O0 x0 ϕ1 x1, x1* O2, O2* x2 γ ϕ2 y1 ϕ2 x2* y1*, y0 y2* y2 Figure 3. The general model of internal worm gear pair x = cos ϕ [a r sin (ϕ α ) + u cos(ϕ α )] ax 2 ax 1 y1 = sin γ sin ϕ1[a r0 sin (ϕ 2 α ax ) + u cos(ϕ 2 α ax )] + + cos γ[r0 cos(ϕ 2 α ax ) + u sin (ϕ 2 α ax )] z1 = cos γ sin ϕ1 [a r0 sin (ϕ 2 α ax ) + u cos(ϕ 2 α ax )] sinγ[r0 cos(ϕ 2 α ax ) + u sin (ϕ 2 α ax )] (1) The simulated model of worm is presented in figure THE DETERMINATION OF MATING SURFACES FROM THE MATING EQUATIONS We can determinate the mating surfaces in two modes: - the intersection with cylinders - using the mating equations. In this paper we use the second method The scalar form of mating equation is: n x1v 21x1 + n y1v 21y1 + n z1v 21z1 = (2)

196 The components of common normal and relative speed can be describe with a linear equation, like the follow. The components of common normal are: n x1 = a 1 u + b1 n y1 = a 2 u + b 2 n z1 = a 3 u + b 3 (3) The components of relative speed are: v 21x1 = c1 u + d1 v 21y1 = c 2 u + d 2 v 21z1 = c 3 u + d 3 (4) Like we see, also the common normal and the relative speed components can be describe as a linear equation on depend in u, what is the straight line tool generator. But we don t know the value of this u component. We can determinate it, by a second power equation, where the unknown parameters are the ϕ1 rotation angle of worm and the γ between axes, which is a constant. Mu 2 + Nu + P = 0 ahol (5) M = a 1 c1 + a 2 c 2 + a 3 c 3 N = a 1 d1 + b1 c1 + a 2 d 2 + b 2 c 2 + a 3 d 3 + b 3 c 3 P = b d + b d + b d (6) 2 The discriminant of this equation is = N 4MP 0, so, this equation has two real radicals, that we can talk about two mating points. Using AUTOCAD we presnts the mating surfaces, which are in concordance with the mating surfaces of globoid worm gears Figure 5. presents the mating surfaces obtained from mating equations. We presents it in function of γ angle between the axes. We can clarified that, like in case of globoid worm gear pairs, here we also have two mating surfaces On of it has located near the middle line of worm wheel and the other is somewhere in the axis line of worm. In these figures we can see that exit of (-20, +20) interval the surfaces are very different, and we xcan t use them after this angles. 4. CONCLUSIONS The internal worm gear pairs are relative new type of gears, and are composed by a helical worm and an internal teething worm wheel. This paper presents the determination of mating surfaces in the case if the angle between the axes of worm and worm wheel is between 0 and 90 degree. We determinate that, if the angle is greater than ±20 degree the modification regard the best situation, when the axes are perpendicular is so great. We think this is the limit for no perpendicular axis worm gear without the modification of quality parameters. Figure 4. The simulation of helical worm 196

197 i21 = 40, q = 14, m = 10, γ = - 30 i21 = 40, q = 14, m = 10, γ = - 20 i21 = 40, q = 14, m = 10, γ = - 10 i21 = 40, q = 14, m = 10, γ = 0 i21 = 40, q = 14, m = 10, γ = + 10 i21 = 40, q = 14, m = 10, γ = + 20 i21 = 40, q = 14, m = 10, γ = + 30 Figure 5.The mating surfaces for different angle between the axes BIBLIOGRAPHY [1] Páy, G. Belsõ csigás hajtások (Internal Worm Gear Pairs) Ph.D. dissertation, Miskolc, Hungary, 2001, Coordinator: Dr. Siposs István, associate professor [2] Páy, G., Pay, E., Special Worm Gears with Internal Worm. Mathematical Model and Manufacturing Technology. In: Development of Mechanical Engineering as a Tool for Enterprise Logistics Progress, Science Report Project CII-PL , Poznan, pp [3] Páy, G., Pay, E., Special Internal Worm Gearings with Helical Worm, 2nd International Conference on Technology Knowledge and Information 08, Ustí nad Labem, Czech Republik,

198 Problematika posuzování spolehlivosti lidského činitele v pracovním systému Václava Pokorná, Ing., ZČU v Plzni, Fakulta strojní, katedra technologie obrábění Pracovní systém je definován jako interakce technických zařízení, pracovního prostředí a lidského činitele. A právě člověk, se svými možnostmi a současně limity, při výkonu své profese je předmětem studií mnoha odborníků a vědců. Výsledky analýz slouží k vymezení hranic výkonnosti člověka v daném systému. Vše s důrazem na spolehlivost, která se posuzuje v prvé řadě z hlediska bezpečnosti. Problematika posuzování spolehlivosti lidského činitele je široké spektrum prvků, které se označují v mezinárodní terminologii jako PSF (Performance Shaping Factors) či PIF (Performance Influencing Factors) Je-li aplikován stanovený postup při oceňování úrovně těchto faktorů, lze jej použít jako hodnotící kritéria pro zkoumaný pracovní systém či proces. Klíčová slova: Pracovní systém, spolehlivost lidského činitele, metodika posuzování podle PIF/PSF, metoda SHELL, metoda TESEA 1 Úvod Prostředí, ve kterém se každý den nacházíme, je spojeno s velkým množstvím rizik. Je možné napsat, že jakmile vstaneme a zapojíme se do každodenních činností, ocitáme se z hlediska pravděpodobnosti v situaci, že právě my budeme v ten jeden kratičký okamžik na nesprávném místě. Nebo provedeme nesprávné, až dokonce fatální, rozhodnutí. Které se může negativně či dokonce tragicky dotknout následujících okamžiků a dnů. A nejen našich, ale i podle situace, ostatních lidí. Je možné si položit otázku: Lze snížit procento pravděpodobnosti, že podobným případům nebudeme vystaveni? A také je sami nezapříčíme? Pak, jakému počtu rizikovým situacím můžeme být vystaveni, aniž bychom si uvědomovali či pociťovali bezprostřední nebezpečí? Pokud bychom se zamysleli nad rozložením času během celého dne u práceschopných a aktivních jedinců, vychází nám jednoznačně, že v posledních letech člověk tráví v práci, tudíž v pracovním procesu a prostředí, více času, než-li tomu bylo např. před 20 lety. Úloha člověka v pracovním systému byla pozměněna díky obrovskému technologickému pokroku posledních let. Některé technologie jsou mnohonásobně výkonnější, ale zároveň i komplikovanější, než tomu bylo právě před lety. Je také možné vyslovit názor, že jsou i nebezpečnější. Přes veškerý pokrok a inovace ve všech směrech a oblastech lidského žití a konání, tj. i přes plně automatizovaný provoz, člověk neztrácí svoje jedinečné postavení, nenahraditelnost a nezastupitelnou roli. V takovém případě, kdy je fyzická a manuální práce nahrazena technikou, je funkce člověka řídící a rozhodovací. 2 Spolehlivost lidského činitele v provozu Z hlediska spolehlivosti se zavedl pojem lidský činitel. A jak tento pojem definovat? Lidský činitel ( LČ) je soubor lidských vlastností a schopností, které mají v dané situaci vliv na výkonnost, efektivnost a spolehlivost pracovního systému a jsou hodnoceny z psychologického, fyziologického a fyzického hlediska [1] Pod tímto pojmem je ukryt jak člověk sám, tak tým, případně organizační struktura, v daném podniku. Lidský element je nejflexibilnější, nejadaptabilnější a nejcennější v každém výrobním procesu. Zároveň ovšem nejzranitelnější k vlivům, které mohou nepříznivě ovlivnit jeho výkonnost a spolehlivost. Termín spolehlivost LČ je popisován jako pravděpodobnost, že člověk bude správně provádět určitou aktivitu, vyžadovanou pracovním systémem, během časového úseku (pokud je čas omezujícím faktorem) bez konání jakékoliv vedlejší aktivity, která by vedla k poškození systému [2] Jedná se o kvalitativní vlastnost lidského operátora, jež je specifická každému jedinci a která je přímo závislá na jeho výkonnostních parametrech ( fyzický stav, mentální úroveň, psychická odolnost, morální postoje apod.) [3] Lidský činitel se rozhodujícím způsobem podílí na vzniku závažných havárií. Často je to právě člověk v roli operátora, kterým byla daná nehoda způsobena. Vyšetřování příčin vzniku nehod je v 80% případů zakončeno zjištěním, že za jejich příčinou stojí člověk a jeho chybné rozhodnutí. Například během let se ukázalo, že zhruba 3 ze 4 leteckých nehod neměly příčinu v selhání techniky či přístrojů. Ale důsledkem havárie byla tzv. chyba pilota. Na obr.č.1 je graf, který zachycuje trend poslední doby v procentuelním vyjádření podílu příčin leteckých nehod z hlediska viny techniky (klesající křivka) a lidského činitele (stoupající křivka). Nedávná ztráta tří našich špičkových hokejistů, jehož příčinou bylo letecké neštěstí a pád letounu Jack-42, tento fakt potvrzuje.šetřením odborníků a expertů z oblasti letectví bylo stanoveno, že za toto neštěstí může chyba pilotů. Nikoli technický stav letounu. 198

199 100% 90% podíl příčin LN z viny LČ (současnost cca 80%) 80% 70% 60% 50% 40% podíl příčin LN z viny techniky (současnost cca 20%) 30% 20% 10% 0% 1993 současnost Obr.1 Změny hlavních příčin LN v čase Fig 1.: Changes of main cause of accidents in time Na základě uvedené skutečnosti lze předpokládat, že na interakci člověka v pracovním prostředí je nutno nahlížet daleko zodpovědněji ve vztahu k člověku samotnému. Trendem je posun od jednotlivého hodnocení pouhé roviny vlivu samotných aspektů pracovního prostředí ke zkoumání v širších souvislostech. Posuzuje se způsob systémového řízení organizace (plnění a rozložení úkolů), vyhodnocování pracovních rizik v systému člověk- technika prostředí. A jako velice důležitá začíná být otázka mezilidských vztahů na pracovišti, spolupráce v kolektivu a eliminaci případných stresových situací, které v každém kolektivu čas od času vznikají. 3 Hodnocení spolehlivosti LČ Hodnocení spolehlivosti člověka jako operátora v systému Č-T-P je velice obtížné. Při pokusu rozdělit chyby podle nějakého klíče je možné postupovat například podle těchto parametrů: Frekvence (četnost) Úmyslnost x neúmyslnost Fyzická x mentální chyba Závažnost chybného úkonu Jak je vidno, z důvodů tak rozdílných parametrů neexistuje pouze jeden způsob klasifikace lidského chybování. Snaha je proto nasadit takovou metodu, analýzu, která umožní najít v pracovním systému tzv. slabá místa, která mohou vést k selhání člověka- operátora a tím chybnému rozhodnutí. Problematika posuzování spolehlivosti lidského činitele v současné době zahrnuje globální posuzování celého spektra prvků. Je to proto, že člověk nekoná svoji činnost v jakémsi vakuu. Při práci jej ovlivňuje velká řada faktorů, které mají vliv na jeho výkonnost. Tyto jsou nejčastěji známy pod označením procesní faktory. Performance Shaping Factors (PSF) či Performance Influencing Factors (PIF). V některých vědeckých pracích je možné setkat se z různým výkladem. Skutečností však je, že jejich význam je stejný. Rozborem dostupných zahraničních zdrojů byly identifikovány nejčastěji užívané PSF, které jsou obecně rozděleny do jednotlivých skupin podle zaměření (účelu). Skupin je ovšem velké množství, ale nechají se sloučit do oblastí, popisující pracovní prostředí. PSF, popisující pracovní prostředí: Ergonomické charakteristiky pracovního místa (design, rozhraní Č-T) Přípravky, nástroje, pomůcky a obecně vybavení a jeho rozmístění na pracovním stanovišti Rizikové faktory prostředí ( hluk, mikroklima, osvětlení, prašnost, vibrace, záření..) Potenciální ohrožení zdraví. Způsobů, jak dělit metody k hodnocení spolehlivosti LČ je několik. Základní členění je na metody kvalitativní a kvantitativní. Výstupem kvalitativní metody je popis.výstupem kvantitativní metody je určitá hodnota, parametr. Tomuto číslu se říká HEP ( Human Error Probability) odhad pravděpodobnosti selhání člověka) a nabývá hodnoty od 0 1. (počet pozorovaných výskytů chyby / počet příležitostí výskytu této chyby) V praxi se 199

200 většina metod nachází někde mezi extrémy absolutně kvalitativní a absolutně kvantitativní. Pokud se jedná o metodu, složenou z částí obou, nazývá se semi-kvantitativní. 4 Pojmový model LČ - diagram SHELL Jako pomoc pro pochopení problematiky LČ se používají různé pojmové modely. Jeden z nejpoužívanějších je model SHELL. Je velice praktický. Pomocí blokových schémat znázorňuje různé komponenty LČ. Tento model vyvinul v r.1972 prof. Edward a za pár let (1975) jej modifikoval prof. Hawkinson a pojmenoval jej podle názvů jednotlivých bloků. [5] S. H E. L. L. Software ( postupy, symboly ) Hardware (stroj) Environment ( prostředí, ve kterém se odehrává interakce S-H-L) Liveware ( člověk jedinec ve středu zájmu. Posuzovaný) Liveware (lidé, se kterými je člověk v nějakém vztahu) H S L E L Obr. 2 Model SHELL Fig. 2Model SHELL Tento model řeší vztahy, kde je člověk - jedinec (L) ve středu zájmu a dále vztahy mezi ním a ostatními součástmi modelu. A protože je člověk centrálním blokem uvedeného modelu, ostatní bloky se musí přizpůsobit (adaptovat) tak, aby s tímto na jejich rozhraní spolupracovaly co nejefektivněji. L - H rozhraní Toto je nejčastěji definováno v případě, kdy mluvíme o systému člověk stroj. Jde zejména o respektování ergonomických aspektů. Obrazovky, které budou nastaveny a umístěny tak, aby nepůsobily rušivě a dovolily bezchybnému vnímání informací operátora. Výška manipulačních a pedipulačních rovin, které uživateli umožní nepřetěžovat některou ze svalových skupin zad. Běžným zdrojem chyb tohoto rozhraní je umístění ovladačů. Ty bývají nevhodně umístěné nebo nesprávně označené a tím způsobují nesoulad a jsou zdrojem přehmatů L S rozhraní. Toto rozhraní je definováno uživatelským prostředím programů, grafiky. Definice a užívání správné symboliky, která musí být jednoznačně vnímána, aby nedocházelo k chybnému rozhodnutí vzhledem k čitelnosti znaků či jejich srozumitelnosti Častou chybou bývá zpoždění a omyl při hledání podstatných informací ze zavádějící, myslné nebo neuspořádané dokumentace L E rozhraní. Jedná se o přizpůsobení se okolnímu prostředí. Které nemusí být vždy bez rizikových faktorů, jenž nepříznivě ovlivňují vnímání a bezpečnost člověka v práci. Obecně tuto problematiku řeší obor Hygiena práce či Technika prostředí Rizikovými faktory tohoto rozhraní je zejména hluk, vibrace, nevhodné mikroklima, prach, výskyt chemických či biologických činitelů L L rozhraní. Je to obecně rozhraní, které se zabývá vztahy mezi lidmi v práci. Se všemi pozitivními, ale i negativními faktory, se kterými se při práci v kolektivu můžeme setkat. Problémem v tomto rozhraní bývá: vůdcovské postavení jedince v týmu a jeho neakceptovatelnost ostatními, spolupráce jednotlivých členů, mezilidské vztahy obecně. Je samozřejmé, že tento model je jistým nastíněním možných analýz a studií obecně. Pro určitou profesi a posuzování výkonnosti a spolehlivosti LČ v dané oblasti je jisté, že v určení kritických momentů bude převládat výrazně jedno či dvě rozhraní. A zde, poté, bude potřeba aplikovat vhodnou analýzu a studii ovlivňujících faktorů. Při ovládání technického zařízení jistě bude hrát roli celková ergonomická situace na pracovišti. 200

201 Umístění ovládacích prvků, pohled do obrazovky řídícího panelu z hlediska oslnění a správné čitelnosti, nevhodná fyziologická poloha při práci a únava svalů. Rizika spojená s BOZP (rotující části a jejich krytování, čistota a výskyt provozních tekutin okolo stroje apod.) Společně s metodikou hodnocení rizika a časovou osou výskytu nepříznivých aspektů lze vytvořit představu o tom, zda během práce na zvoleném pracovišti nemůže nastat předpokládané selhání člověka z hlediska jeho spolehlivosti a stálého výkonu. 5 Metoda TESEO k hodnocení pravděpodobnosti lidského selhání Jedním z hlavních problémů pravděpodobnostního hodnocení spolehlivosti LČ je fakt, že je mimořádně obtížné, aby byla získána data o lidských chybách pro potřebu pravděpodobnostního odhadu rizika. U stroje je jednoduché získat data o frekvenci selhání a ta mohou být zpracována pro pozdější prognózu. V případě LČ je situace komplikovaná. Mnoho lidského chybování je utajeno z důvodu pocitu provinění či strachu ze sankcí. A také různorodost příčin znamená fakt, že některé činnosti se nenechají číselně vyjádřit. Proto se často v procesu pravděpodobnostního hodnocení spolehlivosti LČ využívá expertního odhadu. [4]. Metoda TESEO patří mezi jeden z devíti způsobů kvantitativního zhodnocení možnosti selhání lidského činitele v rámci rizikové práce. Ze všech analýz patří k nejjednodušším a vyžaduje nejmenší materiálové a kapacitní zdroje Odhaduje spolehlivost lidského činitele pomocí pěti klíčových faktorů, které byly oceněny jako nejdůležitější mezi všemi faktory ovlivňující pravděpodobnost lidské chyby. Její model definuje pravděpodobnost chyby operátora jako multiplikativní funkci definovaných faktorů. Vybranými faktory jsou: Typ činnosti Časové vytížení a středovost Osobní kvality a schopnosti operátora Vliv techniky prostředí Únava Podle metody TESEO je pravděpodobnost selhání operátora vyjádřena jako součin 5 uvedených vybraných faktorů K1 až K5., P(HEP) = K1.K2.K3.K4.K5 [4] (5.1) K1 až K5 jsou charakterizovány a ohodnoceny konkrétními hodnotami. Tyto hodnoty jsou uvedeny v tab. č. 1. [5].Pokud dosáhne součin všech pěti faktorů numerické hodnoty větší než jedna, je uvažována pravděpodobnost selhání blížící se jedné je dané, že selhání téměř jistě nastane. Velkou výhodou této metody je její rychlost a snadnost použití. Je také velice vhodná pro srovnání podmínek na různých pracovištích. Nevýhodou ovšem je jisté nedostatečné ověření numerických hodnot jednotlivých uvážených faktorů. Tento nedostatek můžeme eliminovat zavedením vhodné pozorovací metody - časový snímek operace, činnosti, pracovního dne operátora. Pokud je nutné pracovat s výsledky této metody, je možné Paretovou analýzou výběrem definovat kritické činnosti. Tato je založena na vztahu mezi příčinami a jejich následky. Analýze se také říká pravidlo 80/20. Znamená to, že 20% příčin vyřeší až 80% ztrát. V tomto případě by se jednalo o to, že 20% všech rizikových situací a jejich řešení, vyřeší 80% případů, kdy by mohlo dojít k selhání operátora a s ním ohrožení zdraví jeho samotného či zavinění havárie. [5] 201

202 Tab.1 Pravděpodobnostní parametry selhávání operátora podle metody TESEO Tab.1.: Probability parameters of failing of operator according to the method TESEO Faktor Kategorie K1 Typ činnosti K2 Přechodný stresový faktor pro běžné činnosti Kvantitativní charakteristika Rutinní - jednoduchá, Rutinní - vyžadující pozornost neobvyklá Doba pohotovosti (s) Přechodný stresový faktor pro mimořádné činnosti K3 K4 K5 Kvality operátora Dobře vybraný expert, zkušený operátor průměrné znalosti a zkušenosti Vliv úzkosti, stresu, Závažná, nepředvídatelná situace časové tísně Nečekaná situace, nestandardní stav Normální stabilní stav Ergonomické Výborné prostředí i koordinovanost s provozem aspekty Dobré prostředí, dobrá koordinace s provozem Výskyt některých závažných aspektů prostředí, slabá koordinace s provozem Výskyt mnohých závažných aspektů prostředí, chabá koordinace s provozem Nevyhovující prostředí, nedostatečná koordinovanost s provozem Hodnota Kj 0,001 0,1 0, , ,3 0,1 0, , Závěr Novodobý pohled na lidské chybování přináší i zajímavé zkušenosti. Např. takový paradox automatizace, kdy v důsledku zavedení automatizační techniky se mění charakter poruch systému. Mění se, v důsledku zvýšení zátěže obsluhy a zhoršení schopností využít dostupné informace, charakter a četnost výskytu chyb. Při nadměrném nebo nesprávném využívání možností daného programu lze očekávat růst pravděpodobnosti selhání z důsledku záměny, neznalosti, špatného rozhodnutí během krátkého momentu, nesoustředěnosti, únavy, atd. Každý člověk je omylný a i přes sebevětší disciplínu a soustředěnost přichází chvilka, kdy dojde k chybě. Jak už zde bylo řečeno, předvídat všechny situace, kdy se člověk dopustí selhání a svým chybným rozhodnutím ohrozí zdraví či dokonce život svůj a i ostatních, je nepřeberná řada. Povinností zaměstnavatele je snažit se tyto chyby eliminovat a nebo z velké části zmenšit pravděpodobnost jejich vzniku. U každé činnosti by měly být zváženy a zmírněny negativní vlivy a zvýšen komfort pro práci člověka. V dnešní době je povinnosti zaměstnavatelů analyzovat a řešit rizika při práci. Kterým může být v první řadě operátor při práci vystaven a v jejichž důsledku může dojít k selhání. Ale v dnešní době se také nabízí široké uplatnění vědy zvané ergonomie, která řeší tzv. pracovní pohodlí při práci a zamezení zdravotním handicapům, které při jejich nedodržení mohou po čase nastat. A jak je vidno, v obou případech ukázek řešení spolehlivosti LČ v praxi, je ergonomie a řešení jejích otázek jednou z prioritních záležitostí. Literatura [1] HANÁKOVÁ, E. : Základní pojmy užívané v hygieně práce. Interní pracovní materiál VÚBR, v.v.l. Praha, [2] KARWOWSKI, W.: International Encyclopedia of ergonomice and human factors. Boca Raton, FL: CRC Press, ISBN X s [3] TRPIŠ, J.: Analýza přístupu a metod použitelných pro pravděpodobnostní hodnocení spolehlivosti lidského činitele v procesním průmyslu. Bc práce.fbi TU Ostrava,

203 [4] PELANTOVÁ, V., FUCHS, P.: W.: Řízení jakosti a spolehlivosti Přednášky TU Liberec [5] KOTEK, L.: Použití metody Human HAZOP při redukci chyb operátorů. AUTOMA 11/2009, str I, SSN [6] TRPIŠ, J.: Pravděpodobnostní hodnocení spolehlivosti lidského činitele v procesním průmyslu, Sborník přednášek BOZ 2010, Ostrava 2010, ISBN [7] KIRWAN, B.: A Guide to Practical Human Reliability Assessment. Tylor and Francis, London, 1994 ISBN [8] Abstrakt Artikle: The issues of assessment of the human factor reliability Authors: Václava Pokorná, MSc. Workplace: Department of Machinery Technology, University of West Bohemia, Pilsen Keywords: Environment and human factor, PSF, PIF factors, method SHELL, method TESEA The work system is defined as an interaction of technical devices, working environment and human factor. Human factor with its capacities and limits, is the topic of studies for many scientist and Professional. The results of their analysis help to define limits of human performance in a particular system. There is a particular focus on reliability evaluated by safety. The issues of reliability assessment is a wide specter of elements, which are known in the international terminology as PSF (Performance Shaping Factors) or PIF ( Performance Influencing Factors) If the set procedure for level assessment of these factors is applied, it s possible to use this procedure as the evaluating criteria for tested working system or process. The Method TESEO is one of nine ways of qualitative evaluation regarding the probabilities of failure in human factor in work process. It calculates the reliability of human factor by five key factors, which are thought to bear the highest significance within those which are influencing the probability of human failure.for a better understanding of the problematic of Human factor, there are many different models. One of the most common of those is SHELL. This model regards relationship between a human being and the other parts of the system. 203

204 Design of a Mould for Pressure casting with use of the Catia System Lubos Rokyta, MSc., Ondrej Bilek, MSc., PhD. Department of Production Engineering, Faculty of Technology, Tomas Bata University in Zlín, Nad Stráněmi 4511, , Zlín, Czech Republic. rokyta.l@seznam.cz, bilek@ft.utb.cz, Abstract Design of mould for the pressure casting of the aluminium alloy components using CATIA software is described in the article. Computer aided design and construction is almost necessary for the creation of any part. A lot of tools are implemented in Catia program. These tools are used for easily design parts of the mould. Achieve a quality fine-grained structure without porosity and the oxide inclusions, a possibility to observe the casting, solidification, tempering, easy creation of core and cavity, possibility of rapid design whole mould. This factors influence efficiency of construction, quality of the product and an economic production. Using of CAx technologies are necessary for achieving these requirements almost. Simulation in some simulating programme occurred before this construction. This programmes work on basis of Navier- Stokes law and law of conservation of momentum. Combination of these products influences an efficiency, productivity and financial expenses. Key words: pressure casting, construction, CAD, catia 1. Introduction Aluminium is one of the most used technical metals. Regarding to its characteristics, Aluminium is often used in the form of alloys. It crystallizes in the face centred cubic lattice, it is an element of low density and it is characterized by the high thermal and electrical conductivity. Temperature of melting is 660. However, it is soft relatively, good ductility, but strength is low. It is possible to solidify aluminium on MPa by cold working. Strength decreases with increasing temperature rapidly. It is used in alloys with other metals in practice. Aluminium alloys are used as wrought or cast, in heat treated condition or untreated. Silumin is one of the most used alloys on the production of castings. It is aluminium-silicon alloy, whereas a content of Aluminium is from 9-13%. Strength, toughness and fracture strength are increased with the increasing content of Aluminium [1]. The pressure casting method, which is used in the work, is one of the most used technologies in the processing of aluminium alloys. It is specific method with special rules. A required result can be achieved with using of CAx technologies, easily [2]. An effective application of this methods increases precision, productivity and quality. A lot of software is used for design of moulds, recently. It should offer the quality tools for solid and surface modeling of the part and mould. It should provide an optimal processing of an imported data, the possibility of the rapid creation the complete technical documentation and support of all the usual formats for high-quality communication with other CAD systems (iges, vda, dxf, dwg, set, stl etc.). The possibility to make quick changes is the benefit of these programs in any part of the process of development and manufacturing molds. The changes are show in all related parts on design of a model to the production drawings automatically. Its properties, the systems enable the reduction of the time needed to create the technical documentation, improve the quality of the production documentation with minimalization of errors and the clash states removing. 2. Experimental part Design of mould for the pressure casting of the aluminium alloy components using CATIA software is described in the article. Computer aided design and construction is almost necessary for the creation of any part. A lot of tools are implemented in Catia program [3]. These tools are used for easily design parts of the mould. AlSi10MgMn material was chosen for this part because of the higher silicon content for the sufficient strength. It was chosen considering the suitability for the technology and parts requirements. Product is a flange for a worm one-speed gearbox (Fig.1). It is the gearbox for a transporter of the bulk materials. The method of the pressure casting was used for manufacture of part. The pressure casting removes some cons of the gravity casting- An influence of the high cooling rate of the steel mould and the surface stress of the melt. These two factors cause the incomplete filling, especially small mould and the thin part of the mould. Moulds are filled under high pressure to the metal while the pressure casting. The pressure is kept until solidification, whereby the mentioned drawbacks are removed. The melted metal flows at the speed of 60 m/s 204

205 under pressure MPa in the mould. It is possible to get an intricate product with the high precision and the thin walls (1-7mm). Castings with the clean surface and the smooth relief, with cast holes to the 1 mm are produced [1]. Fig. 1 Product- Flange for the one-speed gearbox 2.1 Design of casting A dividing plane was determined first. It is perpendicular on the machine axis. It leads through the bottom surface of the casting and is refracted (Fig.2). Fig. 2 Dividing plane The correct choice of the dividing plane is also important for opening form. Casting must keep on mobile side of the mould. The mould should be making with the chamfers and fillets while designing. Easy uncase a component from the mould and less wear depends on the size of the chamfers. The value is selected from the range 0,5-3 individually. Fillets are designed because of the internal stress in the sharp edges. Shape parts of the mould must be increased by the shrinkage allowance. The value is 0,5% while using the alloy. It is possible to make this part of mould in Core and Cavity Design module in Catia programme (Fig.3). It enables easy identification and distribution of parts according to shapes, chamfers, holes to core or cavity. It also can distinguish faces without chamfers and faces need the assistant equipments. According this analysis, it is possible to solve the secondary opening direction. Remaining construction of 205

206 the shape plates can be designed in Generative Shape Design module. It is the surfaces sketcher. Core and Cavity can be completed to the plates, then completion of other parts and transformation construction to the solid. The Shape surfaces of the moulds must be cleaned by an antistick and a lubricant after the every cycle. Part of this material, air and any impurities are pushed forward by melting face during casting. These substances are undesirable in a mould. For this reason a spew grooves used by the pressure casting. The spew grooves are located to the critical places (a longer filling time, edges of the part). A few factors influence its dimensions (form of part, size and material). Melting face is colder at these places, so it must be taking away with mentioned impurities. The casting defects are created without the spew grooves in these places. A slot is grinded at the spew groove location in the shape plate. It is used for diversion of air. Slot depth is about 0,1mm. Construction of the spew grooves was designed with regard to the method of removal. It is going to do manually. The spew grooves were created with regard to ideal snap without the deformation of the cast [3]. Fig. 3 Core and Cavity Design module The tempering and gate system are the next important part of mould (Fig.4). Both systems were designed according to the shape and geometry of the part. An optimal design affects porosity, an oxide inclusions and thereby mechanical properties. The form must be prepared to entry melted material sufficiently. The part must be cooled uniformly then, to avoid of defects. There is a concept of the tempering and gate system in the picture. The wrong design of the gate system, spew grooves and tempering leads to porosity. It can appear after machining and may be a cause of leak. Some simulation software can be used for the tempering and gate system concept. These products identify and evaluate various influencing aspects- Air entrapment, filling time, air pressure, stress in the melt etc. Applications are able to describe the various processes on the basis of behaviour equations of the melted aluminium alloy. For example: 206

207 Thermal Analysis Temperature analysis of simulation system Casting-Mould-Environment Fluid Analysis - Solution of the metal flow in a mould Meshing- MeshCAST - Mesh generation Radiation Analysis - Analysis of radiation heat transfer Stress Analysis - Stress ratio of casting after solidification and cooling Microstructure Modeling - Modelling of the metal microstructure Fig. 4 Tempering and gate system Remaining parts of mould were designed in Mold Tooling Design module. It enables to create the almost complete mould with the tempering channels, the connecting and guiding elements and so on, on the basis of several parameters. 3. Conclusion Achieve a quality fine-grained structure without casting defects. (porosity, the oxide inclusions, an air pressure.[5]), a possibility to observe the casting, solidification, tempering, easy creation of core and cavity, possibility of rapid design whole mould This factors influence efficiency of construction, quality of the product and an economic production. Using of CAx technologies is necessary for achieving these requirements almost. Design of mould for the pressure casting of the aluminium alloy components using CATIA software is described in the article. Computer aided design and construction is almost necessary for the creation of any part. A lot of tools are implemented in Catia program. These tools are used for easily design parts of the mould. Design of mould by Catia programme was described in this paper. The desired result was achieved simple and practical way using Core and Cavity Design, Generative Shape Design and Mold Tooling Design modules of Catia programme. Simulation in some simulating programme occurred before this construction. This programmes work on basis of Navier- Stokes law and law of conservation of momentum.[4] Combination of these products influences an efficiency, productivity and financial expenses. References [1] Blaščík, F. aj. Technolologia tvárnenia, zlievarenstva a zvárenia. Bratislava: ALFA, s. [2] Fabian, F., Spišák, E. Navrhování a výroba s pomocí CA.. technologií. Brno: Edice vědecké a odborné literatury, s., ISBN [3] HATTEL, J.: Fundamentals of Numerical Modelling of Casting Processes. First edition. Kgs. Lyngby : Polyteknisk Forlag, 2005, s. 540, ISBN [4] Nová, I., Hošek Z., Nováková I.: Rozvoj tlakového lití, MM Průmyslové spektrum 5-04, ISSN [5] ROWLEY, M. T.: International atlas of casting defects. American Founrymen s society, Inc., 1993, s. 337, ISBN X. 207

208 Výzkum vlivu poměru brusiv na jakost povrchu při broušení Rokyta Luboš, Ing., Ústav výrobního inženýrství, FT UTB ve Zlíně Lukovics Imrich, prof. Ing., Ústav výrobního inženýrství, FT UTB ve Zlíně Článek se zabývá vlivem technologických podmínek na drsnost povrchu při broušení. Hodnotí kopírování povrchu dutiny vstřikovací formy na povrch dílu. Experimenty byly prováděny na rovinné brusce při běžných rychlostech. Měření drsnosti povrchu bylo provedeno pro několik typů kovových materiálů. Data ukazují, do jaké míry jsou použité materiály brusiva vhodné v daném poměru. Brousicí kotouče obsahují různé množství základního a porovnávacího brusiva. Zvolené materiály, které jsou určeny dle vhodnosti a použitelnosti pro danou technologii jsou testovány základními i směsnými kotouči. Výsledky jsou hodnoceny na základě srovnání parametru drsnosti Ra těchto materiálů s obvyklým typem brusiva. Vstupní parametry jsou voleny na základě předchozích měření, která byla v dané oblasti prováděna. Klíčová slova: broušení, drsnost, brousicí kotouč, brusivo 1. Úvod Strojírenství vyžaduje kromě výkonných technologií také moderní progresivní materiály hlavně polymery, jejichž vlastnosti jsou efektivní v technické praxi. Světové využití a spotřeba roste parabolicky každý rok a dochází ke zlepšování jejich vlastností. Některé jejich charakteristiky jsou na stejné nebo vyšší úrovni v porovnání s kovy. Vstřikování plastů je jednou z nejobvyklejších metod jejich zpracování. Jakost povrchu tvarových částí vstřikovacích forem je úzce spjata s jakostí povrchu výsledného dílu. Volba způsobu obrábění a všech vstupních veličin je nezbytná pro vytvoření požadované kvality dílů. Vývoj nových technologií v oblasti dokončování funkčních ploch směřuje k výrobě nových progresivních brousicích materiálů, které zaručí zvýšení výkonů a kvality broušených ploch [1]. 2. Experiment Metody výkonného obrábění se neustále zlepšují a zdokonalují, protože požadavky na jakost ploch jsou vyšší a vyšší. Vývoj dokončovacích operací, zejména broušení, vede ke zvyšování řezných podmínek při obrábění [2]. Broušení m získáme vysokou finální přesnost, zatímco ve stejný čas je povrch obráběn a nástroj ostřen [5]. Vysoké požadavky na produkci výrobních zařízení vychází z konstantně rychlého růstu výroby. Úspěchy ve vývoji abrazivního obrábění za posledních let mají zásadní význam pro zvýšení produktivity a zlepšení kvality výrobku [3]. Vysokou efektivitu můžeme zajistit pouze takovými typy brusiva, které budou schopny pracovat s vysokou řezivostí, za ztížených podmínek a po dostatečně dlouhou dobu poskytovat dobré výsledky drsnosti povrchu a řezných sil. Topologie brusných nástrojů a řezné parametry jsou ovlivněny interakcí mezi brusnými zrny a obrobkem [4]. V práci je porovnáváno obrábění s využitím bežného typu brusiva-bílého elektrokorundu (kotouč 80-Test 80) a směsí mikrokrystalického elektrokorundu a bílého elektrokorundu v poměru 1:1 (kotouč 80-Test 85). Oba kotouče mají ostatní charakteristiky shodné-80 I 8 V. Je hodnocen vliv na jakost povrchu dutiny vstřikovací formy. Ta je reprezentována dvěma zkušebními materiály: nástrojová ocel (ENX37CrMoV51-dále mat I) a chromová ocel (EN102Cr6-dále mat II). Oceli byly zvoleny pro jejich vlastnosti a využití. Z těchto materiálů byly vyrobeny tvarové vložky, jejichž povrch byl broušen při zvolených technologických podmínkách. Ty byly určeny dle dřívějších experimentů, které byly prováděny s kotouči z běžně používaných typů brusiva. Broušení probíhalo na rovinné brusce BRH F. Za zvolených podmínek dle materiálových listů daných plastů byly vytvořeny zkušební vzorky-vstřikováním. Byly použity materiály ABS a PC. Následně byla provedena měření jakosti povrchu pro vložky a vytvořené plastové vzorky. Pro měření byla využita dotyková metoda přístroj Mitutoyo SJ-301. Výsledkem je porování povrchových charakteristik vzorku a ocelové vložky a určení miry vlivu nového typu brusiva. 2.1 Výsledky experimentů Všechna data byla nejdříve upravena, aby mohla být hodnocena pomocí tzv. Krabicových diagramů (obr. 1). Ty jsou vhodné pro grafické vyjádření tvaru rozdělení, jeho střední hodnoty a variability. Určují polohu hodnot vůči mediánu. Dokážou určit i tzv. odlehlé hodnoty. Je třeba vyhodnotit, z jakého důvodu tyto hodnoty vznikly a následně je odfiltrovat. 208

209 Obr. 1 Krabicový diagram Fig. 1 Box plot diagram Takto upravená data jsou vhodná pro další zpracování. Nejdříve byly porovnány hodnoty parametru drsnosti povrchu Ra pro oba použité materiály ocelí. Grafy 1 a 2 (obr. 2, obr. 3) ukazují hodnoty Ra pro kotouč s bílým elektrokorundem (test 80) a pro kotouč se směsí elektrokorundu bílého a mikrokrystalického (test 85). Obr. 2 Porovnání vlivu brusiva na mat I Fig. 2 Comparison of abrasive influence on mat I Obr. 3 Porovnání vlivu brusiva na mat II Fig. 3 Comparison of abrasive influence on mat II Vliv typu zrna je znatelný u materiálu EN 102CR6. Rozdíly v hodnotách Ra jsou zde vyšší, ve srovnání s materiálem ENX37GrMoV51. Hodnoty jsou vyšší zejména u vyšší hloubky řezu při vp= 7m/min a pro maximální rychlost vp=23m/min. Zde jsou hodnoty při obrábění materiálu I kotoučem Test 85 zvýšené. Naměřené hodnoty parametru drsnosti Ra jsou srovnatelné s výsledky dosaženými kotoučem Test 80 pro mat II. Kotouč Test 85 je tedy vhodnější pro nižší hodnoty úběru a nižší rychlosti při obrábění mat I. Následně byla data zpracována do grafů určujících vliv materiálu dílu a výrobku na kopírování povrchu při vstřikování. Nejdříve byl porovnán vliv při použití materiálu PC pro vstřikování (obr. 4). 209

210 Obr. 4 Porovnání kopírování pro mat I-PC Fig. 4 Comparison of copying for mat I-PC Ten ukazuje vyšší rozdíly při použití tvarových vložek z mat I pro kotouč Test 85. Rozdíly jsou opět patrné pro náročnější řezné podmínky. V některých případech jsou tyto odchylky téměř dvojnásobné. Lepších výsledků bylo dosaženo kotoučem Test 85 pro materiál II (obr. 5). Obr. 5 Porovnání kopírování pro mat II-PC Fig. 5 Comparison of copying for mat II-PC Jak bylo výše zmíněno, použitím kotouče Test 80 získáme nižší hodnoty drsnosti za stejných podmínek oproti kotouči 85. Obr. 6 Porovnání kopírování pro mat I-ABS Fig. 6 Comparison of copying for mat I-ABS Z obou grafů lze vidět lepší výsledek kopírování povrchu pro materiál PC. Druhým materiálem pro vstřikování je ABS. Výsledky ukazují podobné závislosti pro mat II (obr. 6, obr. 7). Broušením kotoučem Test 85 zde opět dosahujeme výraznější rozdíly mezi povrchem vložky a vzorku. Pouze pro malé velikosti úběru ap jsou hodnoty Ra srovnatelné. Výsledky měření pro mat I ukazují rostoucí tendenci. Se zvyšujícím se úběrem a rostoucí rychlostí roste i rozdíl v drsnostech vložky a výrobku. Obr. 7 Porovnání kopírování pro mat I-ABS Fig. 7 Comparison of copying for mat I-ABS 210

211 3. Závěr Článek porovnává různé druhy brousicích zrn a určuje jejich vhodnost pro obrábění zvolených materiálů. Posuzuje brusivo na základě přenosu povrchových charakteristik na vstřikované plastové dílce. Výsledky ukazují nevhodnost směsi mikrokrystalického korundu a bílého elektrokorundu (kotouč Test 85) v daném poměru. Měření byla provedena při obrábění materiálů (ENX37CrMoV51) a (EN102Cr6). V porovnání s brusivem pouze z bílého elektrokorundu (kotouč Test 80) vykazoval kotouč 85 vyšší hodnoty parametru drsnosti Ra při stejných podmínkách. Pro nižší hodnoty úběru jsou hodnoty Ra pro vložku i díl srovnatelné. S rostoucí rychlostí posuvu a velikostí úběru rozdíly rostou. Závěrem lze říci, že pro zvolené podmínky a materiály dochází ke zhoršování charakteristik parametru jakosti povrchu Ra při použití kotouče Test 85. Lepších výsledků bylo dosaženo při broušení kalené chromové oceli EN102Cr6. Směs brusiv se v daném poměru osvědčila pouze pro nízké hodnoty úběru a rychlosti. Tyto závěry lze využít při konstrukci brousicích kotoučů a zejména při dalším výzkumu dané problematiky. Literatura [1] Lukovics, I.; Bilek, O.; Holemy, S. (2010). Aplikace sintrovaného korundu ve výrobě nářadí. Strojírenská technologie, Vol. XV, No.3, (6/2010) p27-34, ISSN [2] Bilek, O.; Lukovics, I. (2007). Study of Grinding whels under critical speed, Proceedings of 7th International Multidisciplinary Conference, conference data, Romania, ISSN , Cotetiu, R., pp , North University of Baia Mare, Baia Mare [3] Wieczorowski K.; Legutko, S.; Piotr, K. (2009). The Influence of Workpiece Speed on the Shape, Proceedings of 9th International Multidisciplinary Conference, conference data, Romania, ISSN , Cotetiu, R., pp , North University of Baia Mare, Baia Mare [4] Warnecke, G.; Zit, U. (1998). Kinematic simulation for analyzing and predicting high-performance grinding process, Annals of CIPR 47 (1), pp [5] Bílek, O.; Sámek, D. (2011). Abrasive Rubber Wear during Grinding. Chemické listy, Vol. 105, No. 15, (5/2011), s , ISSN Abstract Article: Research the Influence of the abrasives ratio on Surface Quality during Grinding Author: Rokyta Luboš, MSc. Lukovics Imrich, Prof., MSc. Workplace: Institute of Production Engineering, Faculty of Technology, TB University in Zlín Keywords: grinding, roughness, grinding wheel, abrasive A paper deals with influence of technological conditions on roughness by grinding. It evaluates copying surface of Injection s mould cavity to surface of the part. Experiments were being realized on the flat grinding machine by normal cutting speed. Surface-roughness measuring was made for several types of metal materials. Data shows suitability of cutting grains. The grinding wheels contain different types of abrasive materials. Results are evaluated by Ra roughness parameters comparison of these materials with usual type of abrasive. Grinding using usual type of abrasives (white electrocorundum-test 80) is compared with mixture of microcrystalline corundum and white electrocorundum (test 85) in 1:1 ratio. Other characteristics of both discs are same. An influence is evaluated on the surface quality of the injection mold cavity. It is represented by two test materials: The tool steel (ENX37CrMoV51-mat I) and chromium steel (EN102Cr6-mat II). These steels were selected for its properties and use. Shaped inserts were made from these materials, whose surfaces were grinding by specified technological conditions. These were determined according to previous experiments. Grinding was proceeding on BRH F flat-grinding machine. The test samples were created by injection for the conditions according to the characteristics of the plastic. ABS and PC materials were used. Measurement of surface quality was made for inserts and plastic samples then. Comparison of the sample and steel inserts surface characteristics and determination of the influence a new abrasive is the result. The deterioration of the surface quality happens for the chosen conditions and materials using Test 85. Better results were achieved for the hardened chromium steel EN102Cr6 during grinding. Mixture of abrasives in this ratio is suitable for lower sizes of chips and lower feed rate. These results can be used for design of grinding wheels and further research activities in this field. 211

212 Aplikace pro zvýšení efektivity návrhu monolitního šroubovitého vrtáku v prostředí CATIA V5 Roud, Pavel,Ing., Katedra technologie obrábění, ZČU v Plzni Česáková Ivana, Ing, Katedra technologie obrábění, ZČU v Plzni Sklenička Josef, Ing, Katedra technologie obrábění, ZČU v Plzni Zetek, Miroslav, Ing, Ph.D., Katedra technologie obrábění, ZČU v Plzni Kožmín, Pavel, Ing, Ph.D., HOFMEISTER s.r.o., Plzeň Dnešní dynamické tržní prostředí nutí výrobce k uvádění nových výrobků ve stále kratším časovém cyklu. Výrobci řezných nástrojů jsou rovněž podrobeny těmto vlivům a navíc jejich produkt- řezný nástroj je velice často tvarově složitý. Z toho vyplývají značné časové nároky na ruční vytvoření modelu nástroje a jeho výkresové dokumentace i s použitím dnešních high-end CAD systémů. Řešením těchto vzájemně protichůdných vlivů je využití automatizačních nástrojů dostupných v dnešních CAD systémech. V tomto článku je představena aplikace, která v prostředí hig-end CAD systému CATIA V5 umožňuje uživateli vytvořit model zvoleného řezného nástroje - monolitního šroubovitého vrtáku efektivněji. Aplikace dále disponuje automatickými polohovacími algoritmy. Ty např. slouží pro přesné vytvoření hrotu monolitního šroubovitého vrtáku čímž dále zvyšují efektivitu návrhu nástroje. Pro zhodnocení časové úspory je aplikace použita pro návrh konkrétní geometrie monolitního šroubovitého vrtáku. Klíčová slova: aplikace, efektivita,vba,šroubovitý vrták,catia V5 1 Úvod V dnešní době je na výrobce řezných nástrojů, stejně jako na každého výrobce vytvářen tlak, aby kromě zvyšování technické úrovně svých výrobků řezných nástrojů neustále zvyšovali frekvenci jejich uvádění na trh. Pro dosažení tohoto požadavku je potřeba, aby byl zkrácen proces vývoje nového řezného nástroje. Tento proces lze rozdělit do několika fází. První fází je technická příprava výroby, při které vzniká konstrukční návrh řezného nástroje. V druhé fázi dochází k samotné výrobě prototypu řezného nástroje dle výkresové dokumentace, která byla vytvořena v předchozí fázi. V třetí fázi je řezný nástroj podroben zkouškám řezivosti. Poslední jmenovaná fáze resp. její průběh je dán normou tudíž možnost snížení časové náročnosti je značně omezena. Oblast výroby řezných nástrojů je spojena s využíváním přesných CNC obráběcích zařízení, které díky neustálému vývoji, včetně použitého nářadí umožňují zvyšovat produktivitu obrábění. Další zcela oddělenou oblast, která umožňuje snížit časové nároky na výrobu představuje organizace a racionalizace výroby, jímž se zabývá průmyslové inženýrství. Nicméně značný potenciál skrývá již první fáze vývoje technická příprava výroby. Jak již bylo naznačeno výše, dochází v této fázi ke konstrukčnímu návrhu řezného nástroje. Pro tento účel je dnes již určitým standardem používání CAD systému různé úrovně. Nicméně i při použití high-end CAD systémů např. CATIA, ProEngineer či NX je vytvoření modelu řezného nástroje a jeho výkresové dokumentace značně časově náročné. Hlavním důvodem je potřeba vytváření pomocných geometrií (přímky, roviny atd.) či nutnost postupného upravování polohy jednotlivých pomocných geometrií, aby bylo dosaženo požadovaného tvaru řezného nástroje. Je totiž nutné poznamenat, že tvar některých funkčních prvků na nástroji např. průběh hlavního ostří nelze díky tvarové složitosti řezného nástroje dopředu přesně odhadnout. Pro snížení časové náročnosti vytváření modelu řezného nástroje a jeho výkresové dokumentace lze využít automatizačních nástrojů, které dnešní high-end systémy nabízejí. Jedním z představitelů tvarově složitého řezného nástroje je monolitní šroubovitý vrták viz Obr. 1. Tento nástroj se vyznačuje proměnlivostí úhlu čela γ, hřbetu α a sklonem hlavního ostří λs. Navíc u tohoto nástroje nelze např. napoprvé zajistit přesné hodnoty úhlu hrotu εr, hřbetu αf a příčného ostří ψp. Tudíž je konstruktér nucen postupovat systémem pokus-omyl dokud nejsou přesné hodnoty výše uvedených úhlů dosaženy. Další prvkem na nástroji, jehož vytvoření je značně časově náročné je snížení délky příčného ostří. Tato úprava je z hlediska funkce nástroje velmi důležitá, jelikož umožňuje snížit zatížení nástroje od posuvové složky řezné síly Ff díky příznivému ovlivnění tvorby třísky v této oblasti. Z výše uvedených důvodů byl monolitní šroubovitý vrták zvolen jako typový představitel řezného nástroje pro vyvíjenou aplikaci v prostředí CAD systému CATIA V5, jejímž úkolem bude zefektivnit proces vytváření jeho modelu. Struktura článku je následující. Nejprve je představena základní koncepce vyvinuté aplikace spolu se systémem její obsluhy, který vychází ze způsobu výroby monolitního šroubovitého vrtáku. V další části je představen automatický polohovací algoritmus pro vytváření hrotu monolitního šroubovitého vrtáku, resp. pro dosažení přesných hodnot úhlu hrotu εr, hřbetu αf a příčného ostří ψp. Další část je věnována zhodnocení časové úspory, která je dosažena použitím aplikace na vytvoření modelu monolitního šroubovitého vrtáku. V poslední části tohoto článku je provedeno shrnutí jeho hlavních bodů a vyvozeny další směry budoucího vývoje aplikace. 212

213 2 Aplikace pro zefektivnění vytváření modelu monolitního šroubovitého vrtáku 2.1 Základní koncepce aplikace Cílem vyvíjené aplikace je vytvoření parametrické modelu monolitního šroubovitého vrtáku viz Obr.1. Budoucí uživatel bude spouštět aplikaci jejím výběrem z katalogu. Toto řešení má v porovnání přiřazením makra ve formě ikony na panel nástrojů několik výhod jako např. vyšší přehlednost díky možnosti strukturování maker dle jejich účelu, snadnější správa maker vývojářem atd. Po spuštění aplikace se objeví uživatelské rozhraní, které je znázorněno na Obr.2 Jak již bylo zmíněno ve výše, aplikace by měla odrážet v maximální možné míře výrobu reálného nástroje. Z tohoto důvodu je uživatelské rozhraní rozděleno na několik karet viz červený rámeček na Obr.2. V jednotlivých kartách jsou obsaženy parametry pro vytváření jednotlivých částí nástroje, resp. jeho prvků polotovaru, drážky, hrotu aj. 213

214 Název parametru spolu s polem pro zadání jeho hodnoty je v levé části formuláře. V případě, že uživatel nechápe význam zadávaného parametru je vedle každého zadávacího pole ikona se symbolem nápovědy viz. opět červený rámeček na Obr. 2. Po jejím stisknutí se objeví vysvětlující obrázek, který se vztahuje ke konkrétnímu parametru. V případě, že uživatel chce vytvořit daný prvek na nástroji stačí stisknout tlačítko Vytvořit. Tím dojde k aktivaci skriptu, který provede požadované operace Obr. 3a. Pokud uživatel není s vytvořeným prvkem spokojen, může zadat jiné hodnoty příslušných parametrů a po stisknutí tlačítka Aktualizovat dojde k úpravě geometrie viz Obr. 3b. Díky této vlastnosti se předejde manuálním úpravám, které jsou spojeny s vyhledáním konkrétního prvku ve stromové struktuře součásti a tudíž se dále šetří potřebný čas. 2.2 Polohovací algoritmus pro zefektivnění tvorby hrotu Teoretické pozadí tvorby hrotu Charakteristickým prvkem monolitního šroubovitého vrtáku je jeho hrot, který je symetrický podle osy nástroje. Tvar hrotu resp. jeho parametry viz Obr.4. ovlivňují zavrtávací schopnosti nástroje a rovněž i tvorbu třísky. Pro vytvoření hrotu resp. hřbetu nástroje se využívají různé tvary ploch např. rovinná, válcová, kuželová, šroubová aj. V případě popisované aplikace byla pro vytvoření hrotu resp. jeho hřbetu použita kuželová plocha. Dle zdroje [1] lze vzájemnou polohu plochy kužele a nástroje charakterizovat parametry ϕ, θ,d a s viz Obr.5. Úhel ϕ určuje sklon osy rotace kuželové plochy vůči ose nástroje, zatímco úhel θ určuje polovinu vrcholového úhlu kuželové plochy. Obě veličiny jsou měřeny v rovině xz, stejně jako vzdálenost vrcholu kuželu od hrotu nástroje. Poslední parametr s měřený v rovině yz určuje vyosení kuželové plochy vůči ose monolitního šroubovitého vrtáku. Je nutné poznamenat, že roviny xz a yz tvoří pravoúhlý souřadný systém nástroje. Vzájemná poloha mezi nástrojem a kuželovou plochou určuje konkrétní hodnoty úhlu hrotu εr, hřbetu αf a příčného ostří ψp v příslušných řezných rovinách Obr

215 Nicméně dosažení přesných hodnot všech parametrů hrotu resp. hřbetní plochy nelze docílit napoprvé z důvodu složitosti průniku plochy kužele s tělem nástroje. Konstruktér je tudíž nucen při úpravě vzájemné polohy resp. při změně parametrů ϕ, θ,d a s postupovat systémem pokus-omyl, což je značně časově náročný úkol. Z tohoto důvodu byl vyvinut polohovací algoritmus, který má za úkol dosáhnout přesných hodnot εr, αf a ψp místo uživatele Představení algoritmu 215

216 Před vlastním spuštěním polohovacího algoritmu je potřeba, aby uživatel zadal požadované hodnoty úhlu hrotu εrp, hřbetu αfp a příčného ostří ψpp. K tomuto účelu slouží uživatelské rozhraní dle Obr.2. Po zadání požadovaných hodnot dojde k vytvoření kuželové plochy, jejíž poloha je určena zadávanými parametry. Následně po vytvoření hrotu dojde ke zjištění skutečných hodnot parametrů hrotu resp. plochy hřbetu εrs, αfs,ψps. V případě, že jsou zjištěny odchylky dojde ke spuštění polohovacího algoritmu. Popisovaný algoritmus je založen na iterační bázi, kdy dochází k postupné změně hodnot ϕ, θ,d a s viz Obr.7a charakterizující vzájemnou polohu plochy kužele a nástroje a následnému porovnávání požadovaných a skutečných hodnot εr, αf, ψp. Celý proces končí, když je dosažena shoda mezi požadovanými a skutečnými hodnotami. Konkrétně εrs= εrp + Tε, αfs= αfp + Tα, ψps = ψps+ Tψ. Kde hodnoty Tε, Tα, Tψ jsou hodnoty přípustných odchylek jednotlivých parametrů. Ty jsou do algoritmu začleněny z důvodu urychlení jeho konvergence. Poté co dojde k nalezení řešení je uživatel informován o výsledku polohování pomocí dialogového okna viz Obr.7b. Nástroj s vytvořeným hrotem je znázorněn na Obr Zhodnocení časové úspory Pro zhodnocení časové úspory plynoucí z použití výše popisované aplikace bylo provedeno měření, kdy se sledoval čas potřebný na vytvoření modelu. Test byl poveden na monolitním šroubovitém vrtáku, jehož základní parametry shrnuje Tab. 1. Tab. 1Základní parametry modelu nástroje Tab. 1 Basic parameters of twist drill model Průměr nástroje [mm] Délka vrtací části [mm] Počet fazet [-] Úhel stoupání šroubovice [ ] Úhel hrotu [ ]

217 Na Obr.9 je graf porovnávající časovou náročnost na vytvoření modelu monolitního šroubovitého vrtáku mezi ručním vytvořením a vytvářením pomocí uživatelské aplikace. Jak je z grafu patrné zatímco při ručním vytváření bylo potřeba 4 hodin na vytvoření modelu tak v případě použití aplikace stačilo pouze 0,5 hodiny. To je celkem 8 násobné zrychlení. Je rovněž nutné poznamenat, že je zde prostor pro další optimalizaci aplikace, z čehož vyplývá možnost dalších časových úspor. 3 Závěr V tomto článku byla představena uživatelská aplikace, jejímž účelem je zefektivnit vytváření modelu monolitního šroubovitého vrtáku v CAD systému CATIA V5. Pro vytváření aplikace bylo použito prostředí VBA, které je nativně v tomto systému k dispozici. Aplikace disponuje vstřícným uživatelským rozhraním, které odráží technologii výroby monolitního šroubovitého vrtáku s nápovědou ke konkrétním parametrům ve formě obrázků. Základní přínosy aplikace lze shrnout následovně: Systém vytváření modelu vychází z technologie výroby monolitního šroubovitého vrtáku Obsah polohovacích algoritmů pro efektivní vytváření hrotu nástroje snížení rutinní a časově náročné práce konstruktéra 8x rychlejší vytváření modelu monolitního šroubovitého vrtáku oproti ručnímu způsobu Další vývoj aplikace se bude zabývat : Optimalizací aplikace další snížení časových nároků Rozšíření aplikace o možnost vytváření výrobní výkresové dokumentace Vyšší komplexnost aplikace Snížení časových nároků Tento článek vznikl na základě poznatků získaných v rámci projektu OPPI na podporu znalostního transferu. Literatura [1] Anish Paul, Shiv G. Kapoor, Richard E. DeVor, Chisel edge and cutting lip shape optimization for improved twist drill point design, International Journal of Machine Tools and Manufacture, Vol. 45, April 2005 [2] Čúkovič S., Devedžič G., Ghionea I., Automatic determination of grinding tool profile for helical surfaces machining using CATIA /VB interface, [3] Kerkešová K., Čuboňová N., Michalko M., Využití genetických algoritmů při řešení úloh optimalizace ve strojírenství, Strojírenská technologie, 2007, ročník XII, č.1, str. 7-9, ISSN [4] Linkeová I., Analytické vyjádření charakteristiky obalové plochy, Strojírenská technologie, 2009, ročník XIV, č.1, str , ISSN

218 Abstract Article : Application for increasing effectivity of solid twist drill design in CATIA V5 environment Author Roud, Pavel,Ing.1 Česáková Ivana, Ing. 1 Sklenička Josef, Ing. 1 Zetek, Miroslav, Ing, Ph.D. 1 Kožmín, Pavel, Ing, Ph.D. 2 Workplace: 1 Keywords: application, effectivity, VBA, twist drill, CATIA V5 Department of machining technology, University of West Bohemia, Pilsen HOFMEISTER s.r.o., Pilsen 2 The paper describes application which allows user to create the model of solid twist drill see Fig.1 in more effective way compared to traditional handmade approach in CAD system CATIA V5. In the first section the brief description of application is presented. The description is focused on user interface see Fig.2 which is split up in to subforms in order to capture the manufacturing process of solid twist drill from blank to final workpiece. The interface also comprises the help button for each required parameter. Click on the help button activates the picture where the given parameter which is required for generation of given feature of solid twist drill is shown. This feature should satisfied the clear understanding of given parameter by user. In order to further increase user comfort the application allows user update the geometry of given feature without the need of manual search for its geometry in specification tree. This feature also increase the rate of application workflow. The second section describes the automatic positioning algorithm which allows user to create the point of twist drill more effectively with comparison to handmade approach. The drill point is characterized by three parameters. Namely point angle εr, flank angle αf and the chisel edge angle ψp. The values of these parameters are influenced by position of flank forming surface with respect to twist drill. In this paper the cone surface is used as flank forming surface. The position of cone surface with respect to twist drill can be characterized by four parameters ϕ, θ,d and s see Fig. 5. These parameters are taken from [1]. The algorithm iteratively changes parameters ϕ, θ,d and s in order to achieved the desired parameters of twist drill point εr, αf, ψp. When the positioning process is done the user is informed by dialog window which presents the results of positioning process see Fig. 7b. In order to quantify the time reduction the model of twist drill was designed both by traditional handmade approach and by developed application. The basic parameters of twist drill is presented in Tab.1. By comparison of both methods it was proved that the application allows user to create the model of twist drill 8 time faster see Fig.9. The last section is focused on summary which presents the main advantages of application and future directions of its development. The most important is 8 time faster model creation when application is utilized. The future direction of application development will be focused on creation of detailed drawing documentation of solid twist drill. Keywords : application, effectivity, VBA, twist drill, CATIA V5 218

219 Processing engineering of large composites structures using low-pressure vacuum infusion Rusnáková, Soňa, doc. Ing. Ph.D. Ing., Department of Production Engineering, FT UTB ve Zlíně Žaludek, Milan, Ing. Ph.D., Department of Production Engineering, FT UTB ve Zlíně Bakošová, Dana, Ing, Ph.D., Department of Industrial Technologies and Materials, FPT in Púchov, TnUAD Composite materials, such as fibre reinforced plastics and sandwich panels, have considerable potential for use in the next generation of transport structures. They are lightweight, durable, and readily moulded to shape. However, there are also additional complexities associated with the use of composites, particularly in terms of design and manufacture. These complexities, together with issues of cost, are currently limiting their adoption by the transport sectors. The selection of the manufacturing process for a composite component will normally depend upon the nature of part and the required production volumes. We try to present vacuum assisted resin infusion process, suitable for low-medium production volumes (less than 500 parts per year). Vacuum infusion is well suited to large parts (greater than 1m) with intermediate fibre content (less than 35% by volume). As a reference product was selected overhead - side panel of train cabin designed like a sandwich construction with suitable foam or honeycomb core. Our experimental results described vacuum infusion process like actual variant to produce designed products to transport industry. Keywords: vacuum infusion, matrix, sandwich construction. 1 Introduction The vacuum infusion moulding process is becoming increasingly popular for the production of large composite parts. The vacuum infusion is a technique that uses vacuum pressure to drive resin into a laminate. Materials are laid dry into the mould and the vacuum is applied before resin is introduced. Once a complete vacuum is achieved, resin is literally sucked into the laminate via carefully placed tubing. This process is aided by an assortment of supplies and materials. In a typical hand lay-up, reinforcements are laid into a mould and manually wet out using brushes, rollers, or through other means. An improvement on that method is to use a vacuum bag to suck excess resin out of the laminate. Vacuum bagging greatly improves the fibre-to-resin ratio, and results in a stronger and lighter product. These benefits of vacuum infusion are: better fibre-to-resin ratio, less wasted resin, very consistent resin usage, unlimited set-up time, cleaner. The components of the infusion process utilized in this work are illustrated in Figure 1. The function of the each component, given in the Figure, during manufacturing can be summarized as: Vacuum bagging films are sealed to the edge of the mould with vacuum bag sealant tape to create a closed system. Double side bag sealant tapes are used to provide a vacuum tight seal between the bag and the tool surface. Release films are typically placed directly in contact with the laminate. They separate the laminate from the distribution medium. Release films are often perforated to ensure that any trapped air or volatiles, which may compromise the quality of the laminate, are removed. Release fabrics and peel plies are placed against the surface of the laminate. They are woven products which are strong and have good heat resistance. Release films impart a gloss finish on the cured laminate, whereas peel plies and release fabrics leave an impression of the weave pattern. Peel plies provide a clean, uncontaminated surface for subsequent bonding or painting. Tool release materials are used to release the product from tools easily and obtain a smooth surface finish. For this purpose, either self adhesive Teflon films or liquid release agents are utilized. In certain situations Teflon films can also temporarily solve tool porosity problems. A highly permeable layer called resin distribution medium placed on the top of the preform spreads the resin quickly over the lateral extent of the part. Bleeder/breather fabrics are non-woven fabrics allow air and volatiles to be removed from within the vacuum bag throughout the cure cycle. They also absorb excess resin present in some composite lay-ups. The filling time for a VIP part is determined by four elements: 1. Viscosity of the resin, 2. Porosity/permeability of the reinforcement, 3. Applied pressure difference, 4. Flow distance.[1,2] 219

220 Fig. 1 The principal scheme of vacuum infusion process. 2 Experimental part As a reference product was selected overhead - side panel of train cabin designed like a sandwich construction. In the first step we verified the vacuum infusion process on the laminate construction without a sandwich core, because we solve a problem with lay-displacement in the corners of the production mould. Fig. 2 Detail of overhead - side panel of train cabin. As we have a right choose material and technological displacing we can obtain a composite construction product without typically defects. Figure 3 describes some typical defects detectable during in-process inspection or after it. Pit or pit holes are a surface porosity, this type of defect we can decrease by using vacuum process and vacuum pressure. Porosity is condition of small voids within a solid material, detectable by instrumental NDI or low KV x-ray. Delamination is the separation (1) of plies from each other or (2) a debonding of face plies from a core material during manipulation of component or (3) a disband brought about by a failure due to some internal condition to co-bond during the curing process. A disbond is the lack of a bond in a joint area behind two separate details. It may generally result from improper fit of the details, failure of the adhesive bond, or contamination of one of the faying surfaces. Resin rich occurs from improperly controlled bleeding during cure, usually at the radius, step or chamfered edge of a core, detectable visually, with or without visual aids. Bridging is a condition where one or more plies of tape or fabric span a radius or step without full contact to the underlying laminate, core or tool surface, causing either a void or a resin rich area. [3,4] The vacuum infusion process eliminates the inconsistencies of hand lay-up that's heavily dependent on laminator's skill and it completely does away with air entrapment and void problems that can compromise durability and evoke again osmosis or delamination problems[5]. There are no voids that can fill with water or paths for potential water migration through the core. The process creates the highest resin-to-glass ratio in yacht construction. This is the result of a 1/3 resin to 2/3 glass fibre ratio rather than the 2/3 resin to 1/3 glass fibre used in other 220

221 builder's processes. [6,7] Higher glass fibre content results in greater strength to weight ratio and a lighter, yet stronger composite laminate. a.) b.) c.) Fig. 3 a.) Voids in the laminate, b.) delamination of fibreglass, c.) resin rich spots. In our experiments we tested possibility to use a various kind of sandwich core, especially we concerned to material Coremat.XM, thickness 2 mm, cork, thickness 2 mm and PVC Herex C foam, combine with various reinforced a various type of resin. Our aim was to tested non-flammable resin Dion FR850-M850, because these sandwich composite construction must comply corresponding standard, like U.K. BS 476, Part 6, 7, Netherlands NEN 6065, Germany DIN 4102, France NF P , U.S.A ASTM E 84 and this kind of resin is specially suitable for the production of articles where reduced smoke emission in addition to fire retardant properties is required. But we must constants that the use of this type of resins was unsuccessfully, because of their high value of viscosity (Brookfield LVF sp. 3/12 rpm mpa.s). So we choose another type of resin, unsaturated polyester resin G 105 E (Viscosity Brookfield RV 2, 10 rpm 180 mpa.s) and concern our aim to product sandwich panel wit excellent quality of top side surface and good mechanical properties. Figure 4 describes detail view on reverse and front size of overhead-side panel. Fig. 4 Detail view of reverse and front size of head-side panel. 3 Results 3.1 Economical calculations The economical calculation of this part made by vacuum infusion technology is approximately 60 Euro, in compare with using hand-lay up technology is higher. The price for this part made by hand-lay up technol 221

222 ogy is 50 Euro. It is important to make a remark about advantageous vacuum infusion technology to production to large composition structures. In the case of large part composite structures, the ration to helping materials and materials of product (reinforcement, sandwich, resin, and hardener) are strongly higher. It is given by using of epoxy resin in the case of large part of composite structures, which is many times expensive than polyester resin. 3.2 Experimental characterization of vacuum infusion This experimental characterisation of vacuum infusion allowed a better understanding of the process and material parameters involved in preform infusion as well as to show possibilities for process improvements. Study of process parameters shows that: Bagging materials strongly influence the infusion of the preform in term of compaction and time. Some bagging strategies result in masking the flow enhancement or compaction properties of each material taken individually. All types of vacuum bags are not adequately designed for being used in vacuum infusion (thickness elongations, surface pattern). The analysis of the material parameters shows that: The porosity permeability relationship as well as the compliance of both the preform and the distribution medium must be compared prior to choosing the best suited distribution medium which provides the required level of flow enhancement in the preform. Both the compressibility relaxation and the evolution of compaction with time under a given pressure must be characterised for infused preforms in order to predict the use of bleeding technique to end the infusion. However, the study presented in this article shows that the latter is not a prerequisite. References [1] KANG, M.K., LEE, W.I., HAHN, H.T.: Analysis of Vacuum Bag Resin Transfer Molding process, Composites, A 32, 2001, p [2] HAMMAMI A.: Effect of reinforcement structure on compaction behavior in the vacuum infusion process, Polym Compos., 2001, 22 p [3] HSIAO, K-T., MATHUR,R., ADVANI, S. G., GILLESPIE J. W, B. Jr., FINK,K.: A closed form solution for flow during the vacuum assisted resin transfer molding process, Journal of Manufacturing Science and Engineering, 2000, 122, p [4] FEILER, M,. ISCHTSCHUK, L.: Vacuum assisted resin infusion (VARI): on the way to serial production. 24th International SAMPE Europe Conference, 2003, Paris, France, p [5] ANDERSSON, H. M, LUNDSTROM, T.S., B.R. GEBART, R. LANGSTROM. Flow enhancing layers in the vacuum infusion process, Polymer composites, 2002, 23, No5, p [6] HOEBERGEN, A., HOLMBERG, J.: Vacuum infusion, ASM Handbook, 21, Composites, Materials Park (OH), 2001, p [7] CORREIA, N. C.: Analysis of the vacuum infusion moulding process, PhD thesis, 2004, University of Nottingham. Abstract Article: Zpracovatelské inženýrství velkorozměrných kompozitních struktur pomocí nízkotlaké vakuové infuze Author: Rusnáková Soňa, doc., Ing., Ph.D. Žaludek, Milan, Ing., Ph.D. Bakošová, Dana, Ing., Ph.D. Workplace: Ústav výrobního inženýrství, FT UTB ve Zlíně Ústav výrobního inženýrství, FT UTB ve Zlíně Katedra priemyselných technológií a materiálov, FTP TnUAD so sídlom v Púchove Keywords: nízkotlaká vakuová infuze, matrice, sendvičová konstrukce Ve světě je už několik let známá technologie výroby kompozitních konstrukcí využívající rozdíl tlaků pod názvem vakuová infuze. Spočívá v infuzi pryskyřičné směsi skrz předem připravenou sklovýztuž uloženou ve formě. Pryskyřice je distribuována pomocí speciálních pomocných materiálů ukládaných na povrchu výztuže.tato pomocná distribuční média jsou pomocí separačních fólií nebo materiálů od výrobku po vytvrzení odstraněna. Technologie vakuové infuze je kromě jiných níže zmíněných výhod využívána hlavně v oblasti 222

223 výroby velkoplošných a silnostěnných výrobků. Je to hlavně kvůli nemožnosti ručního laminování velkých výrobků z důvodů prostorových omezení, nebo pro neekonomickou a náročnou výrobu horní části formy v případě uplatnění jiné technologie jako je ruční laminování, RTM nebo RTM-Light. (např. v lodním průmyslu se často vyrábí z jedné formy jenom jeden originál).dle odborníků z oblasti kompozitů patří proces vakuové infuze v tomto oboru k nejkomplikovanějším. Pozitivní výsledky jsou však velmi povzbudivé a rozdíl mezi výrobky ručně laminovanými a výrobky z vakuové infuze je významný, ať už v parametru obsahu dutin nebo v parametru celkové hmotnosti výrobku. Podíl dutin ve výrobku je snížen na minimum a závisí na kvalitě zavakuování formy. Rozšíření této technologie je i z hlediska životního prostředí, protože proces eliminuje víc jako o 90% těkavých organických sloučenin (VOC - Volatile Organic Compounds) uvolňovaných při zpracovávaní nenasycených polyesterových pryskyřic. Nízké investiční náklady zvyšují opakovatelnost procesu ve srovnání s ručním laminováním, jako i se stříkáním pryskyřice a komponenty se vyznačují relativně vysokým obsahem výztuže, více jak 60% obsahu. Předložený příspěvek pojednává o výrobě stropního panelu dopravního prostředku, který je složen se sendvičové konstrukce, a je vyroben v jednom kroku, co je při jiných technologických postupech nemožné. Popisuje nevhodnost využití vysoceplněných pryskyřic z důvodu nedostatečného přesycená při vakuové infuzi, jako i na obtížné zakládaní pomocných materiálu v rozích formy. Ekonomické zhodnocení výroby vakuovou infuzí pod pružnou folií vychází více oproti technologii ručního laminování používané k výrobě tohoto střešního krycího panelu. Cena za výrobu pomocí ručního laminování je 50 Euro, při vakuové infuzi 60 Euro. Musíme však dodat, že technologie vakuové infuze je výhodná především pro výrobu velkoplošných výrobků. Při výrobě velkoplošných výrobků, se poměr nákladů na pomocné materiály a materiály výrobku (výztuže, sendviče, pryskyřice,tužidla) výrazně zvýší. Je to dáno také tím, že při výrobě velkoplošných výrobků pomocí vakuové infuze se používá epoxidová pryskyřice, která je mnohonásobně i pětkrát dražší, než polyesterová pryskyřice. 223

224 Rozptyl velikostí opotřebení výměnných břitových destiček ze slinutého karbidu Růžička Luděk, Ing., Mádl Jan, Prof. Ing. CSc., Fakulta výrobních technologií a managementu, Univerzita J. E. Purkyně v Ústí nad Labem Článek se zabývá určením rozptylu velikostí opotřebení břitu výměnných břitových destiček (VBD) typu SEET 14M4AGSN-MF ze slinutého karbidu při frézování materiálu ČSN danými řeznými podmínkami. Tyto VBD dodává firma KORLOY. Břitové destičky byly zatěžovány v praxi při stejných podmínkách (hloubka řezu, posuv, řezná rychlost, trvanlivost). Cílem tohoto experimentu je vyhodnotit velikost opotřebení všech břitů (4 břity na destičce) u 120 ks VBD a také porovnat, jak se změní výsledek měření při stanovení velikosti základního souboru 30, 60, 90 a 120 destiček, resp. 120, 240, 360 a 480 měření (břitů). Čím více naměřených hodnot soubor obsahuje, tím lépe lze říci, jaký průběh opotřebení lze v praxi očekávat u zvoleného druhu destiček. Klíčová slova: opotřebení, frézování, břitové destičky 1 Úvod Povlakované slinuté karbidy jsou slinuté karbidy opatřené tvrdým, termochemicky stabilním povlakem. Povlaky jsou tvořeny oxidy, nitridy, karbidy, případně jejich kombinací. Jako materiál povlaků se někdy používá i polykrystalicky diamant. Povlaky neobsahuji žádné pojivo, proto mají výrazně vyšší tvrdost než podkladový materiál. Povlaky jsou tvořeny jemnozrnnou strukturou a obsahuji velmi malé množství strukturních vad. Často se používají multivrstvé povlaky, u kterých se kombinují různé typy vrstev za účelem co nejlepších užitných vlastnosti. Moderní povlaky výrazně zlepšuji řezivost a prodlužuji trvanlivost. Povlakované SK mají široké spektrum využití. Jsou používány pro obrábění vysokými posuvovými a řeznými rychlostmi. Některé typy se také hodí pro náročné obrábění s přerušovaným řezem [3]. Povlakované slinuté karbidy byly velkým krokem kupředu z hlediska opotřebení odolávajících a zároveň houževnatých materiálů. V dnešní době je vývoj povlakovaných slinutých karbidů na takové úrovni, že jsou vyvíjeny speciální slinuté karbidy pro konkrétní aplikaci. Liší se nejenom druhem povlaku, ale i různou kombinací vrstev, tloušťkou, metodou povlakování a v neposlední řadě také substrátem. Podle [5] lze vývoj povlaků rozdělit na čtyři základní stupně: 1. generace jednovrstvé povlaky na bázi TiC, tloušťka cca. 6 μm, ne příliš dobrá soudržnost s podkladem, 2. generace jednovrstvé povlaky na bázi TiC, TiCN, TiN, tloušťka 7 10 μm, lepší soudržnost podkladu s povlakem, 3. generace vícevrstvé povlaky, 2 až 3 vrstvy, ostře ohraničené přechody mezi jednotlivými vrstvami, řazení vrstev odpovídá jejich vlastnostem, jednotlivé vrstvy nejčastěji řazeny: TiC Al2O3, TiC TiN, TiC TiCN TiN, TiC Al2O3 TiN, 4. generace speciálně vícevrstvé povlaky, často více než deset vrstev, efektivní tvrdost až 4000 HV, méně či více výrazné přechody mezi jednotlivými vrstvami, vícevrstvé ze stejných materiálů jako u třetí generace, diamantové, nanokompozitní, gradientní, supermřížkové, inteligentní, z kubického nitridu boru. 2 Vhodný nástroj Na začátku vlastního technologického procesu je prvním optimalizačním krokem optimalizace obráběcího nástroje (obvykle výběru). Vybraný řezný materiál, geometrie břitu i jeho kvalita a vhodná velikost jeho opotřebení pro výměnu patří mezi základní parametry tohoto kroku. Po určení nástroje následuje optimalizace řezných podmínek pro daný stroj a operační úsek. Správný výběr materiálu nástroje je důležitým základem prvního kroku. Níže jsou uvedeny vlastnosti materiálu nástroje s ideální řezivostí, ten totiž vyžaduje [9]: vysokou tvrdost a pevnost při pracovních teplotách, zajišťující potřebnou odolnost proti opotřebení a deformaci břitu, vysokou houževnatost, eliminující křehké porušení břitu, chemickou stálost, zaručující odolnost proti difuzi a oxidaci, odolnost proti teplotnímu rázu. 224

225 Důležitý je nejen materiál nástroje, ale také jeho geometrie vliv různých velikostí úhlů na proces obrábění a na opotřebení nástroje. Optimalizace velikosti opotřebení pro výměnu nástroje je jedna z oblastí možných ekonomických rezerv. Optimální velikost opotřebení se určuje z požadavku na maximální životnost celistvého nástroje nebo výměnné břitové destičky. Kritériem pro výměnu břitu je jeho opotřebení. Toto opotřebení by mělo být při výměně nástroje vždy optimální. Jinak dochází k růstu výrobních nákladů. Optimální velikost opotřebení také závisí na způsobu práce (hrubování, obrábění na čisto). Závislost velikosti opotřebení na čase obrábění lze většinou bez větších potíží určit i v provozních podmínkách, např. při výměně nástroje Brinellovou lupou. Ekonomické důsledky nevhodné výměny nástroje (VBD) nejsou zanedbatelné. Při stanovení optimálních řezných podmínek je závažným problémem rozptyl vlastností obráběného materiálu, nástroje, řezného prostředí apod. Toto se promítá do rozptylu trvanlivosti nástroje při práci za určitých řezných podmínek. Rozptyl trvanlivosti (opotřebení) nástroje ovlivňuje i optimální řezné podmínky. Pokud obsluha průběžně nesleduje obráběcí proces, nebo pokud stroj není vybaven monitorovacím systémem pro sledování opotřebení, resp. destrukce břitu obráběcího nástroje, je nutné pracovat s vysokou bezpečností realizace předepsané trvanlivosti nástroje. Proto také nejvýznamnější oblastí monitoringu je monitorování nástroje opotřebení a jeho destrukce (lomu). Konec trvanlivosti (opotřebení nástroje) a lom nástroje společně představují rozhodující faktory výpadku procesu řezání, proto je toto monitorování z ekonomického hlediska významné. Kromě sledování stavu břitu pro výměnu nástroje (a tudíž i pro ekonomické využití skutečné řezivosti jednotlivých nástrojů), je tedy důležité sledování celkové destrukce břitu. Tím lze zabránit havárii a dalším ztrátám [7, 9]. 3 Podklady k experimentu 1.1 Výměnné břitové destičky a jejich řezné parametry Materiál, který byl obráběn zvolenými výměnnými břitovými destičkami, je ČSN Nejčastěji ve tvaru kvádrů, sloužící pro výrobu připojovacích kostek. Materiál byl obráběn na konzolové frézce F400-E od firmy Heckert, jejíž rok výroby je Použité výměnné břitové destičky typu SEET 14M4AGSN-MF jsou čtvercového průřezu o rozměrech 14 x 14 mm a tloušťce 3,988 mm jsou od firmy KORLOY. Na obr. 1 lze vidět novou a použitou VBD. Jedná se o povlakovaný slinutý karbid metodou CVD (povlaky Al203+TiC+TiCN). Obr. 1 Porovnání nové a opotřebené VBD Fig. 1 Comparison of new and used replaceable cutting insert Doporučené rozsahy řezných parametrů a hodnot používaných v praxi obsluhou jsou uvedeny v následující tabulce. Doporučený obráběný materiál je nízkouhlíková a měkká ocel. Tab. 1Přehled doporučených a použitých řezných parametrů Tab. 1 Summary of recommended and selected cutting parameters Parametr Doporučený rozsah Použité řezné parametry Řezná rychlost m.min m.min-1 Hloubka řezu 0,5 5 mm 7 mm Posuv 00,05 0,2 mm 0,56 mm 2.1 Použité zařízení k vyhodnocování, vlastní měření Měření velikosti opotřebení bylo prováděno ve Vědecko-technickém parku Fakulty výrobních technologií a managementu Univerzity J. E. Purkyně v Ústí nad Labem v laboratoři metalografie na mikroskopu Olympus SZX10 se snímačem obrazu U-CMAD3 od firmy Olympus (viz obr. 2). 225

226 Obr. 2 Mikroskop Olympus SZX10 s ukázkou měření velikosti opotřebení Fig. 2 Microscope Olympus SZX10 with an example of measuring the size of wear U každé VBD byla měřena velikost opotřebení břitu na hřbetu destičky, celkem čtyřikrát na každé z celkového počtu 120ks destiček. Každé měření bylo zaznamenáno a vyfotografováno pro další vyhodnocení. Následující fotografie ukazují několik příkladů opotřebených břitů destiček (viz obr. 3) od minimálního opotřebení až po lom destičky. 226

227 Obr. 3 Příklady opotřebení břitu Fig. 3 Examples of tool wear 4 Vyhodnocení experimentu Všechna naměřená data byla rozdělena na 4 základní soubory po 120 měření (břitech). Tloušťka břitové destičky je 3,988 mm, proto byla velikost opotřebení rozdělena na intervaly od 0 do 3988µm. V tabulce 2 jsou uvedeny intervaly a jejich absolutní a relativní četnost výskytu. Každý soubor byl nazván podle počtu měřených břitů. Tab. 2 Přehled naměřených hodnot Tab. 2 Summary of measured values 120 břitů 240 břitů Velikost Relativní Relativní opotřebení Absolutní četnost Absolutní četnost [µm] četnost [%] četnost [%] , , , , , , , , , , , , ,7 6 02, ,0 2 00, ,8 1 00, ,0 3 01, , , břitů Relativní Absolutní četnost četnost [%] 89 24, , , , , ,4 8 02,2 3 00,8 1 00,3 5 01, , břitů Relativní Absolutní četnost četnost [%] , , , , , , ,1 5 01,0 2 00,4 6 01, ,00 Obr. 4 Grafy relativní četnosti velikostí opotřebení u 120 a 240 břitů Fig. 4 Graphs of the relative frequency of the wear size on 120 and 240 edges 227

228 Obr. 5 Grafy relativní četnosti velikostí opotřebení u 360 a 480 břitů Fig. 5 Graphs of the relative frequency of the wear size on 360 and 480 edges Na výše uvedených grafech lze pozorovat postupnou změnu tvaru grafů, kde při měření 120 břitů byla proložená křivka podobná posunuté Gaussově křivce vlevo, která pomalu přechází k lineární charakteristice (při 480 naměřených hodnotách). Poslední tři intervaly velikosti opotřebení jsou přisuzovány nadměrnému zatížení či např. vadě v materiálu, které v několika případech vedly až k lomu destičky (viz obr. 3,4,5). Obr. 6 Graf absolutní četnosti velikostí opotřebení břitové destičky Fig. 6 Graph of the absolute frequency of the size of inserts wear 228

229 Na obrázku 6 je celkové porovnání všech čtyř souborů měření z hlediska absolutní četnosti. Pro rovnocenné porovnání naměřených hodnot je vhodnější použít relativní četnost. V grafu (viz obr. 7) lze pozorovat postupný vývoj trendu četností, kde interval naměřených hodnot 0-388µm postupně narůstá až do jeho maxima. Z grafu lze také pozorovat, že do intervalu hodnot µm má křivka (polygon 4. řádu) lineární charakter. Poslední tři intervaly, jak bylo uvedeno výše, jsou nejčastěji prezentovány velikým opotřebením či lomem. Obr. 7 Graf křivek relativní četnosti velikostí opotřebení břitové destičky v procentech Fig. 7 Graph of the relative frequency of the size of inserts wear in percents Obr. 8 Průběh velikosti opotřebení 480 břitových destiček v procentech Fig. 8 The course of the wear size of 480 insert pcs in percents 229

230 Na obrázku 8 byla v části křivky blížící se lineárnímu průběhu proložena přímka, která vyjadřuje přibližný směr vývojem velikosti opotřebení podle směrnice y = -4,0774x + 30,208. Tím lze předpokládat, že při větší počtu použitých destiček, by se velikost opotřebení vyvíjela podle této přímky. 5 Závěr Cílem tohoto článku bylo vyhodnocení opotřebení břitu VBD a vzájemné porovnání naměřených hodnot čtyř základních souborů 120, 240, 360 a 480 naměřených dat. Z grafů na obr. 4 a 5 lze pozorovat, že se všechny intervaly, mimo prvního, během měření pohybovaly přibližně kolem stejné hodnoty relativní četnosti (např. interval : 16,7; 15,0; 15,6; 13,8), zatímco u intervalu velikosti opotřebení 0-388µm se četnost neustále zvyšovala. Porovnání všech intervalů a souborů dat vedle sebe lze vidět na obrázku 6. V grafu (viz obr. 7) lze pozorovat postupný vývoj trendu četností, kde interval naměřených hodnot 0-388µm postupně narůstá až do jeho maxima. Z grafu lze také pozorovat, že do intervalu hodnot µm má křivka (polynom 4. řádu) lineární charakter vyjádřený směrnicí y = -4,0774x + 30,208 podle proložené přímky a lze usoudit, že se v praxi velikost opotřebení břitu nejčastěji pohybuje v tomto případě do 388µm a pak její četnost lineárně klesá. Poslední tři intervaly, kde se četnost pohybovala kolem 1%, lze přisuzovat vadě v materiálu, náhlé nadměrné zátěži břitu či špatnému upnutí VBD. Literatura [1] ANDĚL, J. Statistické metody. 4. vyd. MATFYZPRESS. Praha, ISBN [2] ČUBAN, J.; KOLAVČÍK, J. Comparison of coated carbide cutting toll inserts used in machining of cylinder liners made of grey cast iron. Manufacturing technology, vol. 9, p ISSN [3] FOLTÝN, M. Povlakované slinuté karbidy. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, s. Vedoucí bakalářské práce doc. Ing. Anton Humár, CSc. [4] HUMÁR, A. Slinuté karbidy a řezná keramika pro obrábění. 1. vydání. Brno: CCB s.r.o., s. ISBN [5] HUMÁR, A. Materiály pro řezné nástroje. 1.vyd. Praha: MM publishing, s. ISBN [6] CHOUDHURY, S. K.; APPA RAO, I. V. K. Optimization of cutting parameters for maximizing tool life. International Journal of Machine Tools and Manufacture, Indian Institute of Technology, Kanpur, India Vol. 39, Issue 2, s ISSN [7] KOUKOL, V.; MÁDL, J. Metoda target costing a optimalizace obráběcího procesu. Strojírenská technologie, 2007, roč. XII, č. 3, s , ISSN [8] MAEKAWA, K.; OBIKAWA, T.; YAMANE, Y. Metal Machining: Theory and Applications. ButterworthHeinemann; London : ARNOLD, s. ISBN X. [9] MÁDL, J. Optimalizace obráběcího procesu. Praha, Praha : ČVUT, s. ISBN [10] VLČEK, J.; KOUŘIL, K.; MARŠÍČEK, R. Nová geometrie utvařeče břitových destiček. Strojírenská technologie, 2004, roč. IX, č. 3, s ISSN [11] ŽIŽKA, J.; LINHART, T. Určování stavu opotřebení soustružnického nože pomocí poměru složek řezné síly. Strojírenská technologie, roč. XIV, č. 1, s ISSN Abstract Article: Dispersion of tool wear size on sintered carbide inserts Authors: Ruzicka Ludek, MSc. Madl Jan, Prof., MSc., Ph.D. Workplace: Faculty of Production Technology and Management, JEPU in Usti nad Labem Keywords: tool wear, milling, replaceable cutting inserts The article deals with the size of the edge wear of replaceable cutting inserts SEET 14M4AGSN MF (sintered carbide) in milling CSN material with cutting conditions - see Tab. 1. Inserts were supplied by KORLOY company (Fig. 1), and were loaded in practice under the same conditions (depth of cut, feed, cutting speed, tool life). Measurement of the size wear was carried out in Science and Technology Park of the Faculty of Production Technology and Management University of J.E. Purkyně in Usti nad Labem in the metallography 230

231 laboratory with the microscope Olympus SZX10 image sensor with U-CMAD3 from Olympus company (see Fig. 2). The aim of this experiment was to measure out the size of edge wear (4 cutting edges on the insert) on 120 insert pcs and also to compare the changes on frequency graphs for the basic set of 30, 60, 90 and 120 inserts, respectively 120, 240, 360 and 480 measurements (edges). The bigger the basic set, the better we can say, what the course of wear is possible to expect in practice, see graphs of the frequency of wear size: Fig. 4 (120 and 240 cutting edge), Fig. 5 (360 and 480 cutting edges). In comparison all intervals and data sets are on Fig. 6, it is obvious, that the graph for the set of 480 cutting edges has one part of the curve almost in linear form. In Fig. 7 all sets are compared. The biggest changes in relative frequency are in the range of tool wear μm, where the values grow to maximum value and one part of the curve approximate to a linear course. On the graph Fig. 8 there is interspersed straight line in the form: y = -4,0774x + 30,208. In practice was the size of edge wear mostly ranged in this case 388μm and then the frequency decreases linearly. The last three intervals, where the frequency fluctuated of around 1% can be attributed to the defect in the material, sudden excessive load or poor blade clamping inserts. 231

232 Intensification of Thermal Cutting Metallic Materials Assoc. Prof. Dana Stančeková, MSc.,PhD., Peter Ščotka, MSc., Tomaš Nosák, MSc. University of Zilina, Faculty of Mechanical engineering, Department of Machining and Manufacturing Technology, Univerzitná 1, Žilina, Slovak republik, Introduction into problems - Needs streamlining production processes, there were also the needs of the metallurgical division figured blanks, which resulted in the development of cutting materials by melting and evaporation. In this way of material separation is achieved the needs of shaped blanks and consequently leads to substitution of other manufacturing operations, eg. cutting operation and the economic yield. The principle of division of melting and evaporation is a process which leads to formation of high temperature at the point of division. As a result of exposure to heat the melt material or to its evaporation, leading to a breach product. The beginnings of such division material are dated from 1901 when the first patent fied oxygen cutting torch for cutting.gradual industrial development came to a series of other technologies such as. plasma, laser, etc.. In the beginning, of course, the equipment were used for manual use by increasing the technical level of the global engineering industry created machines that were carriers of these devices. An increase in performance and not only quantitative but also qualitative. Today, automation and robotics operating these machines, by use of resources commensurate with the needs of the demands of accuracy, composition material, highly efficient speed for quick stop-and include extensive programming. Key words: plasma cutting, oxygen cutting, quality of surface 1 Plasma The plasma is highly ionized gas composedof ions, electrons (and possibly neutral atomsand molecules) that arises detaching electronsof the atomic electron orbitals of gas or rend the molecule (ionization). Plasma is generally considered to be more state of matter because it contains large amounts of ionized particles, is electrically conductive. Plasma exists in the universe often in different forms. In nature we meet with it in the form of lightning, northern light or stars. In fact, the plasma makes up 99% of the observed universe of matter. [1] In plasma cutting metal is melted by heat and from point kinetic energy is removed by plasma gas. The principle essentially consists in the use of some heated to such a temperature at which they are placed into the ionized state and are not governed by ordinary law applicable to gases. Plasma is an ionized gas, therefore, the ionization is achieved by heating to high temperatures. It is characterized by very high temperature and electrical conductivity, which allow it to implement its orientation (divergence, focusing, compression) using magnetic or electromagnetic fields. Speed of the particles is very high (around m.s-1). By using the plasma beam, which is restricted by the small diameter nozzle melt temperature of the material being cut about C or more. [6] Plasma is created by breaking down the molecules of gas high heat generation in the electric arc that burns me DZI-electrode (cathode), which melt and cut material (anode). It appears to be neutral (equal number of positive ions and negative electrons). [6] Fig 1 Division by plasma 2 Oxygen flame Metals in contact with oxygen oxidised. This chemical process under normal atmospheric condition has been slow. Upon reaching the optimal merging of metal with oxygen can be fast. Such rapid oxygenation can be used in engineering practice for cutting metal with oxygen. Device for cutting oxygen is composed of: cutting torch, hoses and cylinders with pressure reducing valve. [2] Fig 2 Oxygen cutting [9] From the theoretical result the general advantages and disadvantages of flat material cutting technology oxygen and plasma. These parameters can not be accurately measured, can change because development modernization and automation technology is too in the plasma and oxygen cutting. The text presents some of the advantages and disadvantages of these technologies: Benefits of oxygen cutting - cutting of medium and large thicknesses of material, - low acquisition costs- Low operating costs, - the machine burning the possibility of using multiple burners, at the same time, - and others. Disadvantages of oxygen cutting: - cutting steel containing only a limited quantity of carbon and other additional elements, - lower cutting speed, - greater heat affected area, - deformation due to heat, the need for subsequent straightening, 232

233 - inappropriate material cutting thickness of less than 5 mm, - and others. Advantages of plasma cutting: - cutting of all electrically conductive materials, - high cutting speed, - less heat affected area, - great accuracy with modern types of plasma, resources and burners, - and others. Disadvantages of plasma cutting: - acquisition and high cost, - restrict the use of larger thicknesses of such materials, - operating costs. When we combined the two technologies share a wide variety of materials to meet the quality and economic requirements. 4 Division by melting and evaporation Causes fragmentation of the material by melting and evaporation on observation mainly divided in most cases printed materials namely sheets or profiled materials. The essence of this division is that it allows you to convert not just cut in a plane like saw or scissors, but also in different shapes and curves. Cutting can be performed manually or by machine. With machine sharing the division - the burning makes on burning machines that are already largely controlled by CNC. The portfolio of machines Viko s.r.o. is also a cutting machine, it is the cutting machine SCORPION L 2500 GP, Fig. 3. The machine I have two burners, a fierce-not for the gas (oxygen acetylene) and one for burning plasma. Fig 3 Division by melting and evaporation 4.1 Division by oxygen flame Fig. 4 Two torches - for burning gas (oxygen - acetylene) and plasma burning The essence of cutting oxygen is preheated combustion process material to the heat source temperature of inflammation, which in a stream of oxygen combines with it to metal oxides in the form of liquid slag discharge the cutting oxygen from the point of cutting. Heat, which arises in the process of burning, preheated in the direction of cutting thick layers of material below the combustion temperature and thus enables cutting of material across the thickness. Inflammatory normal temperature carbon steel is about 1350 C in the base the chemical composition of cut material. As the firing media in this type of burning used two types of gas such as oxygen and acetylene. When burning the gas cutting machine Viko Company Ltd. is usedtorch HARRIS 198-2T. The COM-compact burner is designed for cutting materials up to a thickness of 380mm, a leading self-on-cutting and a heating oxygen and flammable gas in their own control. The diameter of the burner body is 32 mm, length 250 mm. Fig. 5 Division by oxygen flame 4.2 Division by plasma Plasma cutting is the principle of transition of plasma gas through the arc, which creates a high-voltage spark ionizied itself and closes circuit with the surface of the cut material. This curve is characterized by low voltage and high current against high voltage spark, which in turn shows the parameters of high voltage and low current. Plasma arc reaches high temperatures that melted metal and cut gas flowing through the nozzle at high speed removes the molten metal from the kerf. To achieve the minimum kerf is used in the plasma torch nozzle and protective stabilizing gas, which makes it susdirection of the plasma beam and prevents undesirable assignments of spots on the surface of the anode material. As the plasma gas is used as well. oxygen, which improves the cut surface, protects the material from nitrodachi, which prevents the further operation of welding a porous weld. [9] Fig 6 Division by plasma 5 Experimental verification 5.1 Samples 233

234 In the experiment was used material of ordinary quality from which most of the company's products Viko Ltd. General characteristics: Steels for welded structures. They are class 11 steel with low carbon content. Because the weldability deteriorates especially carbon, is limited to its content in steel welded construction for max. 0.20%, particularly at max. 0.25% respectively. Unmet steel suitable for welded parts with wall thickness up to 16 mm, silicon steel met the 25 mm. For greater wall thickness have been used with aluminum or steel met microalloyed with niobium, vanadium or titanium. A commonly used brand , 11373rd. [3] 5.2 Production of samples Tab. 1 Used cutting nozzles After placing a semi-label comes the actual number of cutting specimens cutting machine. When cutting the semithickness of 5, 10, 15, 20 mm will be needed, both for plasma and oxygen technology for several sizes of cutting nozzles. Thickness of semiproduct (mm) 5 Plasma torch Oxygen torch HARRIS 198-2T nozzle Lde 1.3 High speed nozzle VAX VAX 10 Lde 1.3 2VAX 15 Lde 1.3 3VAX 20 Lde 1.4 3VAX 5.3 Heat affection Tab. 2 Measured temperature on the surface area cut Cutting by oxygen Hrúbka rezanej platne Cutting by plasma Temperature in a self-nom process of cutting and heat affected fields were measured thermal cameras moblr M8, Fig. 7th Fig 7 Infrared camera moblr M8 Report Date : FileName Filter Analyser Emiss Image Emiss RelHum Distance optimal speed -100 mm.min -1 optimal speed mm.min -1 optimal speed +100 mm.min -1 optimal speed -100 mm.min -1 optimal speed mm.min -1 optimal speed +100 mm.min Report Date : Temperature Unit : M8IRCAP ,18 0, Ambient AtmosphereTemp Date Max Temp Min Temp FileName Filter Analyser Emiss Image Emiss RelHum Distance 19,7 19,2 10/4/2011 8:12: 402,4-4,5 Remark Fig. 8 Test of temperature measurements on cut surface plasma cutting 10 mm in optimum cutting speed , , , ,5 848,6 787,0 990,9 981,6 723,6 734,7 722,5 657,9 360,2 525,8 727, ,2 299,6 491,8 697,2 764,6 244,7 402,4 525,2 597,4 Temperature Unit : M8IRCAP ,18 0, Ambient AtmosphereTemp Date Max Temp Min Temp Remark 20,6 21,0 10/4/2011 8:42:27 AM 734,6 2,8 Fig. 9 Test of temperature measurements on the cut surface rezani oxygen thickness of 10 mm for optimum cutting speed , ,0 C C 1 400, ,0 opt. rýchlos ť -100 mm/min 1 200,0 opt. rýchlos ť mm/min 800, ,0 800,0 opt. rýchlos ť mm/min 600,0 400,0 opt. rýc hlos ť -100 mm/min 400,0 Teplota Teplota 600,0 opt. rýc hlos ť mm/min 200,0 opt. rýc hlos ť mm/min 0, mm 0, Hrúbka materiálu mm 20 Hrúbka materiálu Fig. 10 Graphical presentation of measured temperatures by oxygen cutting 200,0 Fig. 11 Graphical presentation of measured temperatures by plasma cutting 234

235 Teploty pri ideálnej rýchlosti rezania 1200 Teplota kysl ík 400 pl azma Hrúbka plechu Fig. 12 Comparison of temperature affected the optimum cutting speeds by oxygen and plasma 5.4 Visual comparison of quality surface optimal speed 100 mm.min-1 sheet 20 plasma sheet 20 oxygen sheet 15 plasma sheet 15 oxygen sheet 10 plasma sheet 10 oxygen sheet 5 plasma sheet 5 oxygen optimal speed mm.min-1 optimal speed +100 mm.min-1 optimal speed 100 mm.min-1 optimal speed mm.min-1 optimal speed +100 mm.min-1 Fig. 13 Photo quality records of surface after flame cutting and plasma 235

236 5.5 Economic of cutting Burning of samples - cut 100mm Plasma Spped cut sheet nozzle price.min-1 (mm.min-1) Autogen -1 Spped cut (mm.min-1) price price sheet nozzle price.min 5 1VAX 0, ,018 5 Lde 1.3 0, , VAX 0, , Lde 1.3 0, , VAX 0, , Lde 1.3 0, , VAX 0, , Lde 1.4 0, ,068 Fig. 14 Graphical comparison of the cost of cutting 100 mm for flame cutting and plasma 6 Conclusion Production of each component, either as part of a product or finished product starts by dividing the semiproducts. Demands of the semifinished productcurrently displace traditional forms of division and replacing them with modern progressive methods. Since the company deals with production and assembly of steel structures is important for us to know, among other things, the most effective and at the same time as economical larger share material thicknesses up to 20 mm. Measurements, we wanted to clearly establish what causes fragmentation of the material, which if used. Temperature measurements on surfaces with oxygen plasma cutting or we did in order to determine how these areas are affected by heat generated during cutting and whether there is structural change in the surface layer, since the cut pieces are welded to the units and inappropriate change in the structure may cause adverse consequences for making finite elements. After experimental trials, we finally found that portion of material not arise high temperature that would affect the surface, so the selection of these technologies do not take into account the thermal influence, but rather on other aspects. Another endpoint was quality of the cut surface. In this comparison it was found that the quality cuts made by plasma cutting are better quality and the material can be optimally set the cutting speed even increase, while maintaining the quality of the cut When comparing and selecting the cutting process, in our case the oxygen cutting or plasma, in addition to the comparison - temperature influence and surface quality of the section, must take account of costs for cutting. These costs should be offset all direct and overhead costs of entering the process (cost per nozzle, power, industrial gases,...). All previously mentioned aspects must be taken into account and to establish the most appropriate alternative to a combination of SPL-Nala production requirements, but also customer requirements. Work was also under a research grant project 069ŽU-4/2011 E-learning in the field of particle technology and modern facility for teaching issue to enhance students' skills Literature [1] [2] FABIAN, P., Technológia, 2006, s. [3] SKOČOVSKÝ, P, Náuka o materiáli pre odbory strojnícke, 2001, s. [4] [ ] [5] Manuál k rezaciemu stroju SCORPION 2500 GP [6] MIČIETOVÁ, A.: Nekonvenčné metódy obrábania. Žilina: EDIS, 2001, 376 s. [7] ROUBÍČEK, M.: Kritéria volby metody a trendy tepelného dělení materiálů, Air Liquide [8] VASILKO, K. KMEC, J.: Delenie materiálu. Prešov: DATAPRESS, 2003, 232 s. [9] [ ] [10] (tvarovacie stroje a stroje na delenie materiálu - Peter Demeč) [ ] 236

237 Použitie RCM pre návrh obsahu údržby podvozka GP 200 osobných železničných vozňov Stuchlý Vladimír, Doc. Ing. PhD., Strojnícka fakulta Žilinskej univerzity, Katedra dopravnej a manipulačnej techniky, Žilinská univerzita v Žiline Anotácia: Príspevok sa zaoberá implementáciou RCM (Reliability Centred Maintenance) do údržbového systému podvozku radu GP 200 železničných osobných vozňov prevádzkovaných Slovenskou železničnou spoločnosťou (ŽSSK). Táto metóda nebola zatiaľ použitá pre návrh údržby železničných vozidiel na Slovensku. Pri neustálej snahe o znižovanie nákladov na údržbu a súčasne o zvyšovanie bezpečnosti železničnej dopravy je metóda RCM primárnou metódou pre návrh obsahu a rozsahu údržby. Príspevok dokumentuje použitie metódy FMEA (Failure Modes and Effects Analysis) pre identifikáciu funkčne významných objektov FSI (Functionally significant item) v piatich krokoch. Riešenie je vykonané v softwarovom produkte APIS IQ-RM PRO 6. V ďalšich krokoch boli vypracované Informačné a rozhodovacie výkazy RCM, stanovené údržbové úlohy pre podvozok GP 200. Na záver je vykonaná analýza typov poruchových stavov, následkov porúch a typov dostupných a vykonateľných údržbových úloh. Kľúčové slová: RCM, FMEA, osobné železničné vozne, podvozok Údržba železničných vozňov Súčasná organizácia údržby železničných vozňov Podobne ako v priemysle aj pri železničných vozňoch, resp. železničných koľajových vozidiel (žkv) prechádzal údržbový systém (druhy údržby a údržbové stratégie) vývojom. V tab. 1 je uvedený cyklus údržby vybraných druhov osobných vozňov po zmene č. 5, ktorá nadobudla účinnosť od Je tu uvedené rozdelenie vozňov podľa druhov do údržbových skupín, cykly opráv, kilometrické prebehy a cyklickosti údržby. Tab. 1 Predpis V66 Údržbové skupiny podľa druhov vozňov (vybraté druhy vozňov) Tab. 1 Regulation V66 Maintenance groups for selected types of wagons Údržbová Druh vozňov Cyklus opráv Km prebeh skupina Salónne a spoločenské režimu RIC R1-12 mesiacov R2-48 mesiacov a R R Nv (R4) R1 R1 R1 R2 R1 R1 R1 R3 R1 R1 R1 R2 R1 R1 R1 R4 Ostatné vozne (okrem vozňov 1 a 2 skupiny) R1-6 mesiacov vnútroštátneho režimu pre vlaky InterCity R2-36 mesiacov b R R Nv (R4) R1R1R1 R2 R1R1R1 R2 R1R1R1 R3 R1R1R1 R2 R1R1R1 R2 R1R1R1 R3 atď. Štvornápravové vnútroštátneho režimu s rýchlosťou R1-6 mesiacov nad 120 km/h (okrem vozňov 1, 2 a 3 skupiny) R2-48 mesiacov R R Nv (R4) R1R1 R2 R1R1 R2 R1R1 R3 R1R1 R2 R1R1 R2 R1R1 R4 1.2 Charakteristika stavu údržby na ŽSR V súčasnej organizácii preventívnej údržby žkv na ŽSR podľa platných zásad údržbových predpisov je hlavným rozhodovacím kritériom tzv. kilometrický prebeh a pre niektoré typy vozňov časové doby. Tento prístup je daný pomerne dlhodobým vývojom a v princípe už tradíciou pri aplikácii plánovito-preventívneho systému. Technológia sledovania, príprav a pristavovania vozidiel do údržbových zásahov má charakteristické kroky a jednotlivé prvky, ktoré pri modernom poňatí údržby a hlavne pri priorite sledovania nákladovosti nie vždy znamenajú ekonomicky vhodné podmienky výkonu samotnej periodickej údržby. Za hlavné ukazovatele a typické znaky terajšej realizovanej údržby žkv možno pokladať nasledovné skutočnosti: vypracované výkonové normy jednotlivých, najmä vyšších údržbových zásahov, technologická rutina a periodicita výkonu údržby, špecializácia pracovísk a technologických postupov vyšších údržbových zásahov, 237

238 vysoká rutina sledovania jednoduchých ukazovateľov pre pristavenie do údržby, údržba sa nevykonáva podľa skutočného technického stavu žkv a diferencovane, pri železničných vozňoch sa nezohľadňuje ich prevádzkové využitie, často zbytočne rozsiahle demontáže dôležitých konštrukčných uzlov žkv výrazne zhoršia ich celkovú funkčnú stabilitu a negatívne ovplyvnia prevádzkovú pohotovosť vozidiel, tabuľková prácnosť tvrdo plánovaných údržbových výkonov môže znamenať neefektívne mzdové náklady a režijné prirážky, nedostatočná personálna zodpovednosť pracovníkov za kvalitu údržby a následne za úroveň technického stavu žkv, v dnešnej kritickej finančnej situácii na ŽSR hrozí nesplnenie ani predpismi určenej periodicity údržbových zásahov, čím sa jednoznačne zhoršuje skutočný technický stav žkv. Z analýzy foriem, technológie a dôsledkov súčasnej údržby žkv na ŽSR je zrejmé, že udržanie doterajšieho stavu je nereálne a ekonomicky asi nedostupné. Preto je dôležitá systémová zmena s cieľom racionalizácie a zlepšenia efektívnosti údržby. Zmena údržbových poriadkov železničných koľajových vozidiel musí zostať základným predpokladom zvýšenia pohotovosti železničných koľajových vozidiel pri efektívnejšom vynakladaní nákladov na údržbu. V súčasnej najbližšej dobe pôjde hlavne o ich postupné znižovanie. Určujúcim kritériom navrhovanej transformačnej zmeny je cielený prechod od terajšej preventívnej údržby na údržbu prediktívnu (spoľahlivostnú - podľa technického stavu). 1.3 Využitie teórie spoľahlivosti Teória spoľahlivosti skúma zákonitosti vzniku porúch objektov (vo všeobecnosti strojov a zariadení) a metódy ich predpovedania, hľadá spôsob zvýšenia spoľahlivosti objektov vo všetkých etapách ich vývoja a používania. Zaoberá sa ďalej kvantitatívnymi ukazovateľmi spoľahlivosti, bezporuchovosti, ekonomickosti a efektívnosti. Pre využitie ukazovateľov spoľahlivosti, resp. bezporuchovosti v údržbe žkv treba zodpovedať aj na tieto možné otázky: A. Ako môžu byť zistené ukazovatele spoľahlivosti, resp. bezporuchovosti? B. Má význam ich zisťovať? C. Má význam sledovať prvky alebo celé systémy? D. Ktoré ukazovatele spoľahlivosti a bezporuchovosti majú hlavný význam pre údržbu? A majú niektoré vôbec význam? E. Ako, kedy, kde a v akom rozsahu treba ukazovatele spoľahlivosti a bezporuchovosti zisťovať? F. Ako môžu výpočty ukazovateľov spoľahlivosti a bezporuchovosti pomôcť pri navrhovaní údržbových systémov? Spoľahlivosť už prevádzkovaných žkv (pretože, hlavne o tieto v údržbe ide) bola vložená počas konštrukčného návrhu a výroby. Samotná údržba nemôže zabudované vlastnosti spoľahlivosti zlepšiť. Návrh systému údržby (na základe teórie spoľahlivosti) možno rozdeliť na tieto jednotlivé kroky: Zistenie ukazovateľov spoľahlivosti prvkov (matematicko-štatistické metódy). Zistenie optimálnych období (intervalov) prevádzky prvkov do vykonania plánovaného údržbového zásahu. Vychádza sa pritom zo spoľahlivosti prvku a nákladov na plánované a neplánované údržbové zásahy. 3. Návrh údržbového systému. Vychádza sa pritom zo stanovených období (intervalov), prvkov a nákladov vynakladaných na údržbu Systémy pre zber informácií o spoľahlivosti objektov sú najdôležitejším článkom celkového systému spoľahlivosti a v súčasnosti aj manažérstva kvality. Aby takýto systém pre zber informácií mohol riadne fungovať, musia sa na jeho vytvorení aktívne zúčastniť aj viacerí používatelia výrobkov mimo obchodno-technických zložiek výrobcu, čo obyčajne ale naráža na rôzne ťažkosti. Zo skúsenosti je známe, že pri vytváraní systémov pre zber informácií robí ťažkosti najmä: priame zabezpečenie sústavného sledovania výrobkov v prevádzke, lebo pokiaľ sú to stroje a zariadenia, treba nadviazať na existujúci systém údržby u používateľa, s čím je spojený určitý zvýšený rozsah technickej evidencie a administratívy, čo môže vyriešiť vhodný informačný systém údržby, prácnosť vyhodnocovania údajov vzhľadom na ich rozsah, čo sa dnes už nedá vykonávať bez výpočtovej techniky a vo väčšine prípadov je to znova otázka informačného systému, automatizácie zberu údajov, atď. Zber informácií zrejme nemožno vykonať pre všetky stroje a zariadenia a musia existovať kritériá pre výber výber kritických zariadení. Analýza prevádzkových a údržbových informácií odhaľuje kritickosť zariadenia z hľadiska výrobných strát, údržbových nákladov, funkčnej schopnosti, a malej hodnoty Ts (MTBF) a následkov porúch. Prečo tieto metódy nenašli uplatnenie v praxi? Pretože: je veľký počet rozličných objektov, 238

239 je malý počet rovnakých komplexných objektov, objekty sú zvyčajne tiež v nepretržitom stave vývoja a modifikácie, ďalším komplikovaným problémom analyzovania informácií o poruche je rozdielnosť politiky (stratégie) ohlasovania porúch v každej organizácii; jednou oblasťou nedorozumení je rozdiel medzi potenciálnymi a funkčnými poruchami, zber informácií o poruche ešte nezabezpečí prevenciu proti vzniku porúch, preventívne opatrenia možno vykonať až po vzniku prvej poruchy; štatistické analýzy iného druhu nemôžu byť použité, a tým ani nemôže byť zabezpečená dostatočná prevádzková bezpečnosť a pohotovosť. Pre nedostatok potrebných charakteristík a ukazovateľov bezporuchovosti nemožno tieto hore uvedené postupy aplikovať. Aj keď moderné software ako napr. software RCMCost od firmy ISOGRAPH, INC. tieto postupy využívajú, pričom ich kombinujú s metódami apriórnej spoľahlivosti, ktorú možno komplexne vyjadriť ako RCM. Uvádzame to aj preto, že použitie software vôbec neodstraňuje nevyhnutnosť absolvovať všetky uvedené kroky. 2 RELIABILITY CENTERED MAINTENANCE Pre nedostupnosť údajov z prevádzky železničných koľajových vozidiel nemožno neobmedzene používať metódy aposteriórnej spoľahlivosti pre návrh obsahu a rozsahu údržby. Pre obsahu a rozsahu údržby podvozka GP 200 sme použili metódu RCM II [2, 3]. 2.1 Podvozok GP 200 Konštrukcia podvozka a hlavné parametre Rázvor 2600 mm, Hmotnosť podvozku podľa typu v rozmedzí 5400 až 6035 kg, Rok výroby 1984 až 1990, Rozchod koľaje 1435 mm, Prejazdnosť oblúkom R 150 m, Maximálna rýchlosť 120 km.h-1, Dvojkolesia s celistvými kolesami Ø 920 mm, Minimálny priemer opotrebovania kolesa Ø 854 mm, Priemer brzdového kotúča Ø 590 mm, Zaťaženie na kolísku 235 kn, Podvozky vozňa bez CZE sú vybavené trojfázovým bezkontaktným alternátorom poháňaným od nápravy. Obr. 1 Podvozok GP 200 Fig. 1 Bogie GP 200 rám podvozku (1-pozdĺžnik, 2-priečnik, 3- narážka pre zmenšenie priečnej vôle kolísky v oblúku), vedenie a vypruženie ložiskovej skrine (4- pružina prvotného vypruženia, 5- pásnica vedenia dvojkolesia, 6- uzemňovač FROST), uloženie skrine voza na podvozok (7-postranná klznica, 8- silentblok pre otočný čap), druhotné vypruženie (9- kolíska, 10- pružiny druhotného vypruženia, 11-nosič pružín druhotného vypruženia, 12-tiahlo pozdĺžneho vedenia kolísky), brzda (13-brzdový kotúč, 14- brzdová jednotka) RCM vytvára štruktúru následkov v klesajúcom poradí podľa závažnosti jednotlivých porúch. Pri stanovení následkov, musia byť vyšpecifikované všetky činnosti prvkov sledovaného zariadenia. Ak úroveň rizika v následku poruchy nie je možné znížiť vybraným spôsobom údržby, potom je nevyhnutnosťou daný prvok rekonštruovať. Teda RCM sa zaoberá aj hodnotením vznikov možných príčin porúch zariadenia (napr. zanedbaná údržba, opotrebenie a pod.). 239

240 Základné kroky pri prevádzaní analýzy RCM sú tieto: definujú sa hranice systému a/alebo subsystému, definujú sa funkcie každého systému alebo subsystému, identifikujú sa funkčne významné objekty (FSI Functionally Significant Items), identifikujú sa príslušné príčiny porúch funkcie objektov FSI, predvídajú sa následky týchto porúch a pravdepodobnosti ich výskytu, používa sa strom logického rozhodovania ku kategorizácii následkov porúch objektov FSI, identifikujú sa použiteľné a efektívne úlohy údržby, ktoré tvoria počiatočný program údržby, ak nie je možné identifikovať žiadne použiteľné úlohy údržby, potom sa návrh zariadenia alebo procesu prepracuje. V rámci uvedeného postupu bola vypracovaná FMEA podvozka GP 200 v programe APIS PRO 6.0 s analýzou kritickosti uzlov, vrátane funkčných a chybových sietí, ktorý je dostupný na katedre dopravnej a manipulačnej techniky. Obr. 2 Štruktúra systému GP 200 Fig. 2 Structure of system GP 200 Obr. 3 Príklad funkcií a následkov porúch Fig. 3 Example of functions and failure consequences 240

241 Obr. 4 Formulár hodnotenia rizík pre dvojkolesie Fig. 4 Form for risk evaluation for the wheel set Obr. 5 Štruktúra systému a chybová sieť GP 200 Fig. 5 Structure of the system and Failure net of bogie GP 200 Nakoniec boli vypracované Informačné a Rozhodovacie výkazy RCM II obr Záver Z rozhodovacích výkazov RCM II bolo analyzovaných 178 funkčných vlastností podvozku GP 200 (poruchových stavov formálne príčin a následkov porúch). Z analýzy vyplynulo, že pri strate funkčnosti spôsobenej poruchovým stavom je v prípade normálnych okolností (hodnotenie v stĺpci H obr. 6) vzniknutá porucha zrejmá (No Hidden) v 57 prípadoch, čo predstavuje 32,02 % a skrytá porucha (Hidden) v 121 prípadoch, čo predstavuje 67,98 %. Zo zrejmých porúch (poruchový stav v stĺpci S - Safety), ktorý môže spôsobiť zranenie alebo usmrtenie predstavuje 98,25% (56 funkčných porúch) a 1,75 % (1 funkčná porucha), spôsobí operačné následky (porucho 241

242 vý stav v stĺpci O) obr. 7. Obr. 6 Príklad Informačný a Rozhodovací výkaz RCM II Fig. 6 Example of Information and Decision sheets of RCM II Obr. 7 Rozdelenie poruchových stavov (módov) podvozka GP 200 Fig. 7 Distribution of failure modes of bogie 200 V rámci vyhodnotenia protokolov RCM boli preventívne úlohy v stĺpci H1/S1/O1/N1, ktoré sa používajú na zaznamenanie, či môže byť nájdená vhodná úloha zisťovania technického stavu, ktorá dovoľuje včasné predpovedanie vzniku poruchy a tak sa vyhnúť jej následkom vyhodnotené ako úlohy, ktoré sú technicky uskutočniteľné z celkového počtu 175, z ktorých je 162 uskutočniteľných, čo predstavuje 92,6 % a 13 neuskutočniteľných čo predstavuje 7,4%. Preventívne úlohy v stĺpci H2/S2/O2/N2, ktoré sa používajú na zaznamenanie, či môže byť nájdená vhodná úloha obnovy, ktorou sa zabráni vzniku poruchy je zo 14-tich úloh 12 uskutočniteľných, čo predstavuje 85,7% a 2 neuskutočniteľné, čo predstavujú 14,3 %. Preventívne úlohy v stĺpci H3/S3/O3/N3, ktoré sa používajú na zaznamenanie, či môže byť nájdená vhodná vyraďovacia úloha, ktorou sa zabráni vzniku poruchy je v 2-och prípadoch uskutočniteľná. V doplňujúcich otázkach v stĺpci H4 v Rozhodovacom výkaze RCM II nebola nájdená úloha, ktorá je tech 242

243 nicky uskutočniteľná a má význam ju vykonávať obr. 8. Obr. 8 Rozdelenie druhov údržbových úloh podvozka GP 200 Fig. 8 Distribution of maintenance tasks for bogie GP 200 Na základe analýzy FMEA podvozka GP 200 a vyhodnotenia RCM výkazov pri jednotlivých komponentoch podvozka GP 200 technické vyhodnotenie ukazuje v niektorých prípadoch na neopodstatnenosť údržbového zásahu pri vykonávaných periodických prehliadok podľa súčasných podmienok, ktoré určuje prevádzkovateľ dráhového vozidla s podvozkom GP 200. Podľa analýzy FMEA a vyhodnotenia RCM II bezpečnú prevádzku podvozka GP 200 dovoľuje kontrola niektorých komponentov predĺženie intervalu do údržbového zásahu. Táto skutočnosť v značnej miere umožní lepšie využitie komponentov podvozka GP 200 na ich hraničnú hodnotu a z ekonomického hľadiska úsporu nákladov pri údržbe. Literatúra [1] ŽSSK V 66: Predpis pre opravy železničných vozňov, Praha, NADAS, 1976 (platnosť od a upravený ). [2] Moubray, J.: RCM Die Hohe Schule der Zuverlässigkeit von Produkten und Systemen, mi Verlag, Landsberg, [3] Špirec, I., Stuchlý, V.: Údržba orientovaná na spoľahlivosť podvozka GP 200, diplomová práca, K DMT, SjF, Žilinská univerzita v Žiline, Žilina, 2010 Abstract Article: Use of RCM method for maintenance of bogies of railway passenger wagons Author: Stuchlý Vladimír, Doc. Ing. Ph.D. Workplace: Department of Transport and Handling Machines, Faculty of Mechanical Engineering, University of Žilina Keywords: RCM, FMEA, Railway passenger wagons, Bogies The paper deals with implementation of RCM (Reliability Centred Maintenance) into maintenance system of bogies series GP 200 of railway passenger wagons operated by the Slovak Railway Company (ZSSK). This method has not been utilised so far for maintenance of railway vehicles in Slovakia. As there are strong efforts for cost savings in maintenance, safety issues became of primary concern and we consider RCM as the proper method to determine necessary maintenance actions. The paper presents use of the FMEA (Failure Modes and Effects Analysis) for identification of failures with significant consequences affecting the system function in operational context considered. Failure definition by use of the FEMA method is processed in five steps. The procedure is supported by software APIS IQ-RM PRO 6. The solution contains working-out of the RCM information sheets on the analysed item / railway passenger bogie. On the base of analysis of input information, RCM decision sheets have been worked-out. The result of the procedure is in definition of maintenance tasks for the given type of bogie. 243

244 In total 178 failure modes of bogie GP 200 were analysed (faults formally failure causes and consequences) using the RCM II decision sheets. From the analyses it concluded that during the functional loss caused by failure under operational conditions (evaluation in column H figure 6) the failure is evident (No Hidden) in 57 cases, (32,02 %) and hidden failure is in 121 cases (67,98 %). From evident failures, 56 function failures (98,25%) can cause injury or death (failures in column S Safety) and 1 function failure (1,75 %) can cause operational consequences (column O in figure 6). The overall overview of failure modes distribution is in Figure 7. Failures Modes Number of failures modes Hidden failure Safety consequences Envirenmental consequences Operational consequences Maintenance Tasks Obr. 7 Rozdelenie poruchových stavov (módov) podvozka GP 200 Fig. 7 Distribution of failure modes of bogie 200 Further on, within the RCM decision sheets the preventive tasks were analysed in column H1/S1/O1/N1 used for an analysis whether appropriate task for technical condition identification can be used, which enables early prediction of failure occurrence and by that avoiding its consequences. We found 162 tasks technically feasible (suitable) for prediction (92,6 %) and 13 which are not technically feasible (7,4 %) out of 175 failures considered in this analysis. Preventive tasks in column H2/S2/O2/N2 that are used for analysis whether it is possible to find suitable restoration tasks that would prevent failure occurrence out of 14 tasks 12 are feasible (85,7 %) and 2 are not feasible (14,3 %) Preventive tasks in column H3/S3/O3/N3, used for analysis of possibility to find suitable discard task that prevents failure occurrence was found in 2 cases as technically feasible. In complementary questions in column H4 in RCM II decision sheet, no technically feasible task that is reasonable to carry it out was found. 3 failure modes, out of total 178 recognised, require different solutions and they were not considered in this analysis - Figure H1 situable on condition task 13 H2 situable scheduled restoration task H3 situable scheduled discard task H4 situable failure finding task Obr. 8 Rozdelenie druhov údržbových úloh podvozka GP 200 Fig. 8 Distribution of maintenance tasks for bogie GP

245 Laser Machining and Temperature Field Simulation Using COSMOS / M Software Sýkorová Libuše, Assoc. Prof., MSc., Ph.D.; Malachová Martina, MSc., MA Tomas Bata Univerzity in Zlín, Faculty of Technology, Department of Production Engineering, The paper deals with possibilities of using the laser in technologies. The parametric temperature field analysis was realized by the finite element method. The analysis was run in COSMOS/M software solver. A thermal module HSTAR makes it possible to realize cases of the temperature dependences on the material properties. Material data can be entered as a function of a temperature. The thermal and physical characteristics of the polymeric materials change significantly. The output of the analysis was described by colourful spectrograms with temperature field distribution of various materials. Key words: Polymeric Materials, Laser, Micro-machining, Temperature Field Simulation 1 Introduction LASER stands for Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation. In 1917 Albert Einstein calculated the conditions necessary for stimulated emission, but, it was only much later, in 1960, that the first visible LASER was demonstrate by T. Maiman. However, a MASER, a similar device that emitted energy in the microwave region was the first to be developed. The task of the laser micro-machining has very extensive usage in industrial applications. The system development and introduction of these technologies is very attractive. Micro-machining belongs to the group of production processes, in which undersized products are made. Production specifications trend to continual minimization of product s dimensions. The laser is optimal tool for its features in this development. Results of the laser micro-machining surface quality of product and its utility in specific application depend on the laser parameters and the polymer material type [2], [4]. 2 Problem Formulation 2.1 The laser beam effect on material Concentration of power electromagnetic radiation visible of light on the small surface of product is principle of this cutting way. The place of impact warms up on temperature considerably exceeding melting temperature of machined material by the transformation of power this radiation visible light on thermal power. The material melts and vaporizes in a place of impact. The part of beam reflects, the part absorbs, the part passes through material after the impact of beam on the material. Absorbed beams share in heating of material. The quantity of reflected beams depends on material reflectance. Absorption A [%] of luminous radiation implicates the heating of surface layer. Reflectance and absorption are complex events, following relation shows their correlation: R + A = 100% (1) Absorption of luminous radiation and followed heating depend on thermal conductivity of material. Heat convection from the laser to the material is complicated effect. Today true theory for formulation of thermal conductivity and temperature calculation does not exist because heat transfer is very quick. The process propounded by Carslaw-Jaeger is used for formulation of heat transfer for mobile source with speed in (m/s). The process presents solution partial differential equation for heat convection from the source with dimension of focused beam to surface layer and in material at definite marginal conditions. It goes from simplified hypothesis that material of product is isotropic and heat transfer can describe by equation of diffusion: T = αδl T t (2) where T is absolute temperature (K), t is time (s), L specific elongation, α thermo diffusion given by relation: α= k ρ c (3) 245

246 where k is thermal conductivity coefficient (W m-1 K-1), ρ is density of material (kg m-3), c is specific heat (J kg-1 K-1) of solid material [1],[2],[4],[5]. 2.2 Temperature field simulation After heat, which does not expend at the material evaporation in place action of laser beam, radiates to material rest. It is possible proceed according to several methods at the temperature field simulation: 1. Change of phases, change of radiation absorption, structural change of material (depolymerisation etc.) and change of geometry take into consideration at action of laser beam. Physical quantities of machined material take in dependence on these changes variable in the time (they are variable during acting of thermal energy). 2. The change of phases is taken as constant. Although this model do not correspond to fact it is possible his in view of temperature course speed in place cutting use for temperature field analysis. 3. Temperature field is solved without reference to evaporated material the model is takes into consideration only as heating of specimen by concentrate energy on surface of laser beam action. The making of model is the biggest problem at using the first method which respects change of physical properties and material behaviour at heating and change of phases. The specific heat capacity cp which is in dependence on temperature from 0,585 kj/kgk (at -173 C) till 2,5 kj/kgk (at 300 C) is changed with change of temperature and phase. The thermal conductivity is also changed at change of temperature and it is from 0,20 W/mK (at 25 C) till 0,16 W/mK (at 150 C). It is necessary to reckon with change of cutting profile at the making of model. The beam does not evaporate the material by all surface of cut at the feed. This material is heated at the feed of the beam above non machined part of the material and it is evaporated after the giving sufficiency energy. The second method does not take into consideration change of phases and cut geometry but takes into consideration the material evaporation at the cutting. It is necessary consider with sequential stock removal by influence of laser beam action at this model. It is possible consider simply that the beam cuts part of material corresponding to surface of beam and set power at limited time intervals [3],[5]. 3 Temperature Field Simulation During Laser Machining 3.1 Models Creation in COSMOS/M Programme The assembled model is a compromise as it does not take into account the changing phases and interfaces (overheating of the material is so fast that the change of phases does not affect the accuracy of the results) and the material structure of the material. It solves only the heat transfer in the solid phase of the material as the heating of the sample by concentrated energy applied to the surface of the laser beam effect. However, the change of physical quantities (namely the specific heat and thermal conductivity) depending on the temperature (that is changing with temperature) was taken into account, because COSMOS / M programme enables to solve cases of temperature-dependent material properties, since the material characteristics can be defined as a function of temperature by the so-called temperature curves. As a vaporized material and therefore the change of phases and the interface were not taken in to account, it could be presumed that the temperature field character in any section of the material during its interaction with the laser beam was identical; it allowed the solution simulation (modelling) in the plane without the use of 3D geometry. The result is a model showing the temperature penetration and its distribution (temperature field) within the material section (i.e. inside). For the possibility of creating a 2D model it was also necessary to assume that the temperature profile spreads equally in the material. According to another assumption, all the energy of laser radiation supplied into the material converts into heat immediately. Therefore, the laser beam energy is implemented as heat flux of a certain value entering into the material surface. Furthermore, it was assumed that the solid part of the material in the section (the change of phases has been neglected), which does not evaporate due to the laser beam effect is defined by the temperature of the thermal decomposition, which is obviously dependent on the polymer type. For this purpose, a heat flux, the maximum value of which was defined as a variable parameter using the so-called time curve, was entered into the individual nodes (nodal points of individual elements) with the overall scatter corresponding to the total width (the laser beam diameter is 0.2 mm); thus a repeated change of heat flux value and the subsequent calculation of the temperature field after the specified time steps was achieved. Evaluation of temperature field results was based on the values of the heat flux, i.e. of a time step when the temperature of the solid phase of the material reached the above mentioned point of decomposition. Using COSMOS/M programme, the initial temperature condition was set out across the cross-sectional area of the material. The initial temperature was imposed at 20 C. The Gaussian distribution of density of laser beam energy was neglected during the simulation. Its maximum power is located in the centre of the laser beam. The modelling was based on the fact that the density of laser beam energy is invariable across its diameter; proving that during the simulation a heat flux, whose value in all nodes was the same, was entered into every node (nodal points of elements) with the overall scatter corresponding to the laser beam diameter [4], [5]. 246

247 3.2 The dimension of the specimen (mm) and finite element mesh During machining of polymeric materials there are significant effects and thus impact to the material near the laser beam interaction with the material. Therefore, it was not necessary to choose the total dimensions of the material cross-section during 2D simulation; only one specific element was chosen allowing us to solve modelling as an isolated system (i.e. without affecting the surrounding environment). Final model dimension were 10x5 mm and symmetry was used for their creation. Firstly, a surface 5x5 mm was created; secondly, the above mentioned symmetry was used after mashing. Fig.1 Created and meshed surface of the models Obr.1 Vytvořená a zesíťovaná plocha modelů The value of the entered heat flux was random in essence since it was set out according to the previous choice of a time step solution (so-called time-curve) as a variable parameter; it resulted in repeated changes of the heat flux values and the subsequent calculation of the temperature field in the specified time increments. In Figure 2 we can see a part of the created model; attention was paid to details on the nodes into which the heat flow was entered. Nodes with the given heat flux Fig. 2 Detail of the model Obr.2 Detail modelu 3.3 2D Models The following figures show real spread of heat inside material within binding conditions. Fig.3 A temperature field of PVC Obr.3 Model teplotního pole pro PVC 247

248 Fig.4 A temperature field of PS Obr.4 Model teplotního pole pro PS Fig. 5 A temperature field of PMMA Obr.5 Model teplotního pole pro PMMA Fig.6 A temperature field of PC Obr.6 Model teplotního pole pro PC Fig.7 A temperature field of PA 6 Fig.7 Model teplotního pole pro PA6 248

249 Fig.8 A temperature field of PA 66 Obr.8 Model teplotního pole pro PA Fig. 9 A temperature field of POM Obr.9 Model teplotního pole pro POM Fig. 10 A temperature field of ABS Obr.10 Model teplotního pole pro ABS Fig. 11 A temperature field of PTFE Obr.11 Model teplotního pole pro PTFE 249

250 4 Conclusions and Intentions The results of analysis of various types of polymers confirm the assumption that there are significant effects, i.e. significant heat impact on the material, during the material processing only near the laser beam interaction with the material as none of the material types was affected across the whole model section with dimensions 10 x 5 mm. The values of temperatures which could lead to phase changes in the material were found in all types of amorphous materials (PVC, PMMA, ABS, PS, and PC) in the fifth of the model maximally, i.e. up to a distance of 1 mm from the place where the heat flow was set. Concerning crystalline polymers (PA66, PA6, POM, PTFE) the distance was at about the half value, corresponding to a tenth of the model, which represents a distance of 0.5 mm. The simulations also show that the area in which depolymerisation and destruction of various materials could occur is very small and reaches a maximum depth of 0.07 mm (= 70 µm). There is similarity evident in the character, particularly in the shape, size, layout and distribution of temperature field for the given types of polymeric materials. This similarity is probably the result of a small variance in the values of thermal conductivity of different types of polymers. Impact on the course and size of the temperature field is therefore mainly defined by temperature of thermal decomposition of polymers. In the end it is possible to state that the model of LASER interaction with the thermoplastic material is possible. The influenced area of high temperature gradient is narrow when the LASER ray after passes through. At the near proximity the high temperature gradients induce as high short time value of transient thermal stress as residual tension. Providing linear-elastic behaviour of specimen, the thermal tension responds thermal state in the time t. Level of these tensions is proportional to the temperature gradient. The linear-elastic tensile relaxes after equalization of temperature in the specimen [4], [5]. Acknowledgement "This article is financially supported by the Ministry of Education, Youth and Sports of the Czech Republic under the Research Plan No. MSM and by the European Regional Development Fund under the project CEBIA-Tech No. CZ.1.05/2.1.00/ References [1] Radovanovič, R.(2004). Mathematical Model for Severance Energy by CO2 Laser Cutting of Mild Steel. Strojírenská technologie IX, 2004, č. 3, UJEP, ISSN [2] Maňková, I. (2000). Progresívné technologie, Vienala Košice, ISBN [3] Bílek, O.; Lukovics, I. Finite Element Model of Dynamics within Highspeed Grinding Process. Academic Journal of Manufacturing Engineering, 2009, 2 (7), ISSN [4] Halaska, P.; Manas, M., Stanek, M. & Pop Mircea, T. (2003). Modeling of Polymeric Plates Laser Cutting., Editura Universitatii Din Oradea, pp , Annuals of the Oradea University, Vol. II, 2003, ISSN Abstrakt Název článku: Chování polymerních materiálů při mikroobrábění CO2 laserem Autoři: Sýkorová Libuše, Doc., Ing., Ph.D.; Malachová Martina, Ing.,Mgr. Pracoviště: Ústav výrobního inženýrství, Fakulta technologická, UTB ve Zlíně Klíčová slova: CO2 laser, polymerní materiály, mikroobrábění, konečněprvková simulace Příspěvek se zabývá modelováním charakteru teplotního pole vznikajícího v okolí řezu polymerních materiálu při obrábění laserovým paprskem. Proces laserového obrábění představuje komplikovanou nestacionární a nelineární výměnu energie a hmoty s proměnným rozhraním. Tepelný tok se z místa řezu dále šíří do obrobeného materiálu nestacionárním sdílením tepla vedením (teplota jednotlivých bodů teplotního pole je funkcí času), tento tepelný proces je popsán Fourier-Kirchhoffovou rovnicí, z které vyplývá, že rychlost teplotních změn obecně určuje koeficient teplotní vodivosti. Jelikož je vedení z laseru do materiálu velmi komplikovaný jev, kdy přestup tepla je velmi rychlý a tepelný zdroj je pohyblivý, není v současnosti odpovídající teorie pro matematické vyjádření tepelné vodivosti a výpočet teploty, a proto bylo zvoleno pro řešení této problematiky modelování teplotního pole v okolí řezu konečně prvkovým software. Záměrem bylo provedení parametrické studie charakteru teplotního pole v okolí řezu konečněprvkovou simulací. Byl použit komečněprvkový softwarový system COSMOS/M. Teplotní modul HSTAR umožňuje řešit případy teplotně závislých materiálových vlastností, tj. hodnoty materiálových charakteristik lze zadávat jako funkce teploty. 250

251 Vyhodnocení stavu povrchové vrstvy střižníku z rychlořezné oceli VANADIS 23 po elektrojiskrovém řezání drátovou elektrodou Švecová Vendula, Ing., Ústav strojírenské technologie, FSI VUT v Brně Madaj Martin, Ing., Ústav strojírenské technologie, FSI VUT v Brně Technologie elektrojiskrového řezání drátovou elektrodou (WEDM) má velký význam zvláště v oblasti přesného obrábění nejrůznějších druhů vodivých materiálů, především pak při výrobě náročných obrobků z nástrojových ocelí a ze slinutých karbidů v nástrojařství. Jejím principem je elektroeroze. K úběru materiálu je využívána série elektrických výbojů. Na povrchu obrobku vzniknou mikrokrátery, které jsou důsledkem lokálního natavení materiálu. Příspěvek se zabývá vlivem WEDM na povrchovou vrstvu střižníku vyrobeného z oceli VANADIS 23. Střižníky byly vyřezány povlakovanou drátovou elektrodou, jejíž jádro je vyrobeno z mosazi. U střižníku byla následně pozorována a zdokumentována tloušťka tepelně ovlivněné povrchové vrstvy, a to na světelném mikroskopu a elektronovém řádkovacím mikroskopu, a dále byla změřena mikrotvrdost podpovrchové vrstvy. Vzhledem k tomu, že v tepelně ovlivněné povrchové vrstvě mohou být obsaženy různé defekty, které zhoršují provozní vlastnosti střižníku a ohrožují jeho životnost, jsou v závěru uvedena praktická doporučení pro výrobce střižníků. Klíčová slova: elektrojiskrové řezání drátovou elektrodou (WEDM), tepelně ovlivněná oblast, rychlořezná ocel VANDIS 23, mikrotvrdost 1. Úvod Pokrok ve strojírenské technologii vedl k používání materiálů s vysokou pevností a tvrdostí (nad 60 HRC). [6,7] Při obrábění těchto materiálů byly tradiční metody obrábění částečně nahrazeny nekonvenčními metodami obrábění, například elektrojiskrovým obráběním (EDM). Největší výhodou elektrojiskrového obrábění oproti konvenčním způsobům obrábění je obrobitelnost vodivých materiálů v širokém rozmezí tvrdostí a pevností. Součásti se obrábějí na konečné rozměry zpravidla až po tepelném zpracování. Tímto způsobem je možné vyhnout se objemovým a rozměrovým změnám součásti. [4] Elektrojiskrové řezání drátovou elektrodou (WEDM) je progresivní modifikací elektrojiskrového obrábění. Jejím zavedením došlo k výraznému pokroku ve výrobě tvářecích nástrojů, především střižných a lisovacích nástrojů. Tato technologie umožňuje obrábění velmi složitých tvarů součástí, výrobu tvarových otvorů, drážek, úzkých žeber, apod., které by byly konvenčními metodami obrábění vyrobitelné jen obtížně. [2] Elektroerozivní drátové řezačky umožňují řezat součásti s vysokou přesností při současném vysokém plošném výkonu řezání. I přes nesporné výhody této technologie dochází ke zpochybnění jejího použití v odvětvích, kde je kladen důraz na kvalitu povrchu a užitné vlastnosti součástí (např. letecký průmysl). Důvodem je působení vysokých teplot (až C) během procesu WEDM. Účinek vysokých lokálních teplot způsobuje metalurgické změny v povrchové vrstvě a následně vznik poruch jako jsou trhliny na hranicích zrn, dvojčatní a vznik tzv. bílé vrstvy. [2,3,5,8,9] Charakteristickým rysem elektrojiskrově obrobených povrchů je také vznik tahových zbytkových napětí v důsledku působení vysoké teploty a malé zatěžující síly. Tahová zbytková napětí snižují mez únavy a usnadňují rozrušení povrchových vrstev. [7] V neposlední řadě dochází ke změnám tvrdosti materiálu povrchové vrstvy. Kombinací těchto nežádoucích účinků dochází ke zhoršení provozních vlastností součástí. Za účelem praktické ukázky uvedené problematiky byl vybrán konkrétní střižník z oceli VANADIS 23, který byl vyroben technologií WEDM. Ocel VANADIS 23 je vhodná zejména pro stříhání a tváření tenčích materiálů, kde převládá smíšené abrazivně adhezivní, nebo abrazivní opotřebení a kde je vysoké riziko plastické deformace aktivních ploch nástroje. [10] Její použití v nástrojařství je velmi rozšířené. Cílem příspěvku bylo v konkrétním případě daného střižníku experimentálně ověřit, do jaké hloubky zasahují změny, protože v tepelně ovlivněné vrstvě jsou obsaženy různé defekty, které mohou způsobovat snižovaní trvanlivosti střižníků, případně i jejich životnosti v důsledku lomu. [5] 2. Experimentální část 2.1 Zkušební obrobek Zkušební obrobek (střižník) byl vyroben z materiálu VANADIS 23, který vyrábí švédská společnost UDDEHOLM. Jedná se o Cr-Mo-V legovanou rychlořeznou práškovou ocel. Chemické složení oceli je uvedeno v tabulce 1. Na elektronovém mikroskopu bylo chemické složení deklarované výrobcem ověřeno pomocí energiově disperzní analýzy. Pro sérii 8 kusů střižníku byl vyroben polotovar čtyřhranná destička obdélníkového tvaru, která byla po tepelném zpracování ve vakuové peci frézována a obroušena na požadovanou tloušťku 11 mm. Z protokolu o měření tvrdosti vyplývá, že výsledná střední tvrdost materiálu po tepelném zpracování je 63,7 HRC. Po vyřezání 251

252 byla u všech střižníků změřena drsnost povrchu střižné hrany. Střední hodnota střední aritmetické úchylky profilu Ra byla 0,65 µm. Tab. 1 Chemické složení, normalizované označení, dodávaný stav oceli VANADIS 23 [10] Tab. 1Chemical composition, designation by standard, initial heat treatment of the VANADIS 23 steel [10] Chemické C Cr Mo W V složení [%] 1,28 4,2 5,0 6,4 3,1 Označení dle normy AISI M 3:2/W.-Nr /ČSN Dodávaný stav Měkce žíhané, přibližně na 260 HB 2.2 Obráběcí stroj Zkušební obrobek byl vyřezán na drátové řezačce ROBOFIL 2050 TW firmy Charmilles. 2.3 Nástroj Nástrojem byl drát TOPAS plus H, který je patentem firmy Bedra. Jedná se o univerzální drát pro vysokorychlostní řezání. Základní charakteristiky drátu jsou uvedeny v tabulce 2. Drát použitý k vyřezání zkušebních vzorků měl průměr 0,25 mm. Tab. 2 Technické údaje drátu TOPAS plus H [1] Tab. 2 Technical details of the wire TOPAS plus H [1] Materiál Materiál povlaku jádra TOPAS plus H CuZn36 Speciální vrstva Vyráběné průměry 0,20 0,25 [mm] Tažnost [%] 1 0,30 0,33 Pevnost v tahu [MPa] Barva Šedá-zlatá Měřicí zařízení Nejprve byla struktura povrchové vrstvy pozorována na metalografickém mikroskopu Olympus GX 71 a dokumentována digitální kamerou DP 11. V další fázi byl vzorek pozorován na rastrovacím elektronovém mikroskopu Phillips XL-30. Tvrdost HV1 vzorku v podpovrchové a středové oblasti byla měřena na automatickém mikrotvrdoměru LM 247AT firmy LECO vybaveným softwarem pro automatické měření AMH Popis experimentu Z polotovaru bylo vyřezáno 8 kusů zkušebních obrobků střižníků. Obrábění proběhlo v klimatizovaných podmínkách při teplotě 21 C. Jeden obrobek byl podroben metalografické analýze. Metalografický výbrus zkušebního obrobku byl připraven běžnými technikami. V první fázi byla struktura pozorována na metalografickém světelném mikroskopu při použitých zvětšeních objektivu 10x, 20x, 50x a 100x. Po dokumentaci digitální kamerou DP 11 bylo celkové zvětšení cca 100x, 200x, 500x a 1000x. Při pozorování na světelném mikroskopu bylo možné předpovědět přítomnost tepelně ovlivněné povrchové vrstvy, ale tato vrstva byla tak tenká, že při dalším zvětšování se již nedala na světelném mikroskopu rozeznat. Proto byl v další fázi vzorek pozorován na rastrovacím elektronovém mikroskopu s cílem upřesnit velikost narušené vrstvy. Před pozorováním byl vzorek upraven napařováním vrstvy uhlíku. Dále byla na vzorku měřena mikrotvrdost v podpovrchové a ve středové oblasti. Zkouška tvrdosti dle Vickerse je předepsána evropskou normou ČSN EN ISO , a to pro tři rozdílné velikosti zkušebního zatížení. Tvrdost HV1 vzorku byla měřena při zatížení 9,807 N. 3. Diskuse výsledků 3.1 Výsledky pozorování na mikroskopu Na obrázku 1 je vidět struktura nasnímaná světelným mikroskopem při celkovém zvětšení 100x (a) a 200x (b). V povrchové vrstvě je patrná tepelně ovlivněná oblast. Tloušťka této vrstvy by se dala odhadnout přibližně na 3 µm. Při dalším zvětšování se však tato vrstva již nedá rozeznat Na obrázku 2a) je snímek z rastrovacího elektronového mikroskopu. Struktura je zvětšena 1250x a zde je již jasně rozeznatelná vrstva materiálu, která byla tepelně ovlivněna. Na obrázku 2b) je detail této ovlivněné vrstvy v místě 1 (zvětšeno 5000x). Na obrázku 3a) je možné také pozorovat tepelně ovlivněnou vrstvu při zvětšení 1250x a zároveň jsou do tohoto snímku vloženy úsečky, které představují tloušťku této vrstvy. Na obrázku 3b) je detail tepelně ovlivněné vrstvy v místě 2 (zvětšeno 5000x). 252

253 a) b) Obr. 1 Mikrostruktura v podpovrchové oblasti vzorku obrobeného WEDM nasnímaná na světelném mikroskopu a)zvětšeno 100x, b) zvětšeno 200x Fig. 1 a) 100x, b) 200x light micrograph of HAZ beneath the surface machined by WEDM process a) zvětšeno 1250x b)detail tepelně ovlivněné vrstvy-místo 1, zvětšeno 5000x a) magnification 1,250x b) HAZ detail-place 1, magnification 5,000x Obr. 2 Mikrostruktura v podpovrchové oblasti vzorku obrobeného WEDM nasnímaná na REM Fig. 2 SEM micrograph of HAZ beneath the surface machined by WEDM process a) zvětšení 1250x b)detail tepelně ovlivněné vrstvy-místo 2, zvětšení 5000x a) magnification 1,250x b)haz detail-place 2, magnification 5,000x Obr. 3 Mikrostruktura v podpovrchové oblasti vzorku obrobeného WEDM nasnímaná na REM Fig. 3 SEM micrograph of HAZ beneath the surface machined by WEDM process 253

254 Z uvedených snímků získaných pozorováním na elektronovém mikroskopu je zřejmé, že střižná hrana je v důsledku řezání drátkem narušena tepelným ovlivněním i chvěním drátku až do hloubky cca. 1,49 až 2,75 µm. V této negativně ovlivněné vrstvě se mohou vyskytovat i budoucí zárodky mikrotrhlin, které při pracovním zatížení střižníku mohou vést k jeho praskání. Navíc tepelně ovlivněná hrana může mít sníženou otěruvzdornost, která bude negativně ovlivňovat trvanlivost tohoto typu nástroje. Z uvedeného zjištění vyplývá, že odstraněním této ovlivněné vrstvy, což by technologicky nebylo náročné, by bylo možno docílit zvýšení kvality střižníku. 3.2 Výsledky měření mikrotvrdosti Mikrotvrdost vzorku byla měřena v povrchové a ve středové oblasti. Z výsledků měření je zřejmé, že v důsledku tepelného ovlivnění při procesu řezáním drátkem dochází k i určitým změnám v mikrotvrdosti, přičemž podpovrchová oblast má o 3 až 12 jednotek HV1 nižší hodnotu mikrotvrdosti. Výsledky měření jsou uvedeny v tabulce 3. Tab. 3. Výsledky měření mikrotvrdosti Tab. 3 Results of microhardness measurement-beneath the surface and middle area HV1 4. Podpovrchová oblast Středová oblast Závěr 1. Na analyzované ploše střižníku z oceli VANADIS 23 obrobené elektrojiskrovým řezáním drátovou elektrodou (WEDM) průměru 0,25 mm byla zjištěna přítomnost podpovrchové tepelně ovlivněné oblasti. 2. Ze snímků z rastrovacího elektronového mikroskopu je patrné, že v podpovrchové vrstvě materiálu došlo k metalurgickým změnám. Původní mikrostruktura oceli je tvořena popuštěným martenzitem a zbytkovým austenitem a dále karbidickou fází typu M6C (Fe, W, Mo)6C a M4C3 (V4C3). V podpovrchové oblasti jsou tyto struktury, včetně karbidických fází, zcela rozpuštěny v důsledku působení vysokých lokálních teplot. 3. Z obrázku 3a) je dále možné vyčíst, že tepelně ovlivněná oblast zasahuje do hloubky cca. 1,49 až 2,75 µm. 4. Ze studia povrchové vrstvy tepelně ovlivněné řezáním drátem plyne, že dochází ke změnám mikrotvrdosti, přičemž vrstva v blízkosti řezu má o 3 až 12 jednotek HV1 nižší hodnotu mikrotvrdosti, než bylo naměřeno ve středových oblastech. 5. Narušenou vrstvu lze s ohledem na její poměrně malou tloušťku (menší než 3 µm) odstranit následným leštěním. Pro opakovanou výrobu střižníku výše uvedeného typu se proto při navrhování rozměrové přesnosti na střižné hraně jeví jako účelné uvažovat o předepsání užšího tolerančního pole jmenovitého rozměru, aby bylo umožněno následné odstranění narušené vrstvy. Pro odstranění tepelně ovlivněné oblasti způsobené elektroerozivním obráběním je možné, jako jedno z doporučení, použít klasické mechanické způsoby obrábění (zejména dokončovací metody obrábění) nebo chemické leštění. Samotná metoda elektrojiskrového řezání drátovou elektrodou je však vysoce přesná (až ±0,001 mm), výkonná (rychlost úběru až 500 mm2/min) a lze dosáhnout výborné drsnosti povrchu (v klimatizovaných podmínkách až Ra 0,05 µm). Těchto hodnot jsou schopny dosáhnout moderní drátové řezačky s jedním typem generátoru. Nutnost použití další dokončovací operace po WEDM znamená prodloužení doby na dodání hotového výrobku a tím pádem také zvýšení nákladů na obrábění. Bylo by tedy vhodné, aby součásti vyrobené touto technologií, nemusely být dále mechanicky opracovány. Znalost stavu povrchové vrstvy po WEDM umožní konstrukci drátových řezaček a drátů tak, aby tloušťka tepelně ovlivněné oblasti byla maximálně redukována již při samotném elektrojiskrovém řezání. Je tedy účelné získávání co největšího množství poznatků o vlivu podmínek řezání drátovou elektrodou (materiál a výška součásti, typ a průměr drátu, výsledná přesnost a drsnost povrchu, typ obrábění) a technologických parametrů na stav povrchové vrstvy po WEDM. Literatura 1. BERKENHOFF GmbH, Heuchelheim, Germany. Coated EDM Wires - topas plus H. [online] [vid ]. Dostupné z: 2. GHANEMA, F., BRAHAMB, C., SIDHOMA, H. Influence of steel type on electrical discharge machined surface integrity. Journal of Materials Processing Technology 142 (2003) ISSN

255 3. HASÇALÝK, A., ÇAYDAS U. Experimental study of wire electrical discharge machining of AISI D5 tool steel. Journal of Materials Processing Technology 148 (2004) ISSN HO, K. H., NEWMAN, S. T., RAHIMIFARD, S., ALLEN, R. D. State of the art in wire electrical discharge machining (WEDM). International Journal of Machine Tools & Manufacture 44 (2004) ISSN HUANG, C. A., HSU, C. C., KUO, H. H. The surface characteristics of P/M high-speed steel (ASP 23) multi-cut with wire electrical discharge machine (WEDM). Journal of Materials Processing Technology 140 (2003) ISSN CHOI, K. K., NAM, W. J., LEE, Y. S. Effects of heat treatment on the surface of a die steel STD11 machined by W-EDM. Journal of materials processing technology 201 (2008) ISSN KOLAŘÍK K., GANEV N., BARCAL J. Analýza zbytkové napjatosti vysokopevnostní slitiny Inconel 718 po elektroerozivním obrábění. Materials Structure, vol. 12, no. 2 (2005), s ISSN MAŇKOVÁ, Ildikó. Progresívne technológie. 1. vyd. Košice: Vienala, s. ISBN PURI, A. B., BHATTACHARYYA, B. Modeling and analysis of white layer depth in a wire-cut EDM process through response surface methodology. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology (2005) 25: ISSN: Švédské nástrojové oceli a slitiny. Bӧhler UDDEHOLM CZ s.r.o., divize UDDEHOLM. Praha: 2008 Abstract Article: Surface characteristics evaluation of the VANADIS 23 high speed steel punch after Wire Electrical Discharge Machining Authors: Švecová Vendula, Ing. Madaj Martin, Ing. Workplace: Faculty of Mechanical Engineering, Institute of Manufacturing Technology, Brno University of Technology, Czech Republic Keywords: Wire Electrical Discharge Machining (WEDM), Heat Affected Zone (HAZ), VANADIS 23 High Speed Steel, Microhardness Wire electrical discharge machining (WEDM) is nonconventional machining process widely used for manufacturing of materials with high strength and hardness. By means of WEDM it is possible to machine complex shapes which have sharp edges and very small corner radii that are very difficult to be machined by the conventional machining processes. In WEDM, material is eroded from the workpiece by a series of discrete sparks occurring between the workpiece and the wire separated by a dielectric fluid. During the electrical discharge process an enormous amount of heat (local temperature about 10,000 C) is generated causing local melting or even evaporating the surface layers of both wire electrode and workpiece. This is the reason why WEDM induces metallurgical modifications leading to surface tensile stresses, microcracks and changes in surface microhardness. Due to its higher hardenability, better wear resistance and toughness, high speed steel (HSS) is widely used for cutting tools, forging and punching die material. VANADIS 23 high speed steel (Bӧhler UDDEHOLM Company) made from powder metallurgy was used in experiment. Characterization of VANADIS 23 is shown in table 1. VANADIS 23 plate with thickness 11 mm was prepared and then 8 punches were cut out by WEDM. The coated EDM wire TOPAS plus H (Bedra Company) with diameter of 0.25 mm was used for this research. Wire characterization is shown in table 2. The experiment was performed on the Charmilles ROBOFIL 2050 TW WEDM machine and deionized water was used as the dielectric fluid. One of the punches was sectioned transversely and prepared under standard procedure for metallographic observation (optical microscope and scanning electron microscope). Microhardness from crosssection of machined surface was measured to determine hardness variation of heat-affected zone of punch. Metallographic observations show that there is an underlying heat affected zone (HAZ) on the punch surface (Figs. 1-2) after machining by WEDM. Thickness of the heat affected layer is in the range of µm (Fig. 3). There are also changes in microhardness in HAZ. Microhardness values in HAZ are shown in table 3. In HAZ microhardness values are lower by 3-12 HV1. Because heat affected layer thickness is not large, it could be removed easily by polishing. 255

256 Evaluation of roughness of the AlMg3 cut surface after abrasive water jet processing Miroslava Ťavodová, MSc., PhD. Faculty of Environmental and Manufacturing Technology, Department of Manufacturing Technology and Materials, Technical University in Zvolen This article deals with a selection of experimental results of AlMg3 aluminium cutting by abrasive water jet. Cutting and division of aluminium alloys in traditional ways is rather problematic. That is the reason why the AJWM method is frequently used in practice. In respect of its applicability to various substances as well as its low heat and deformation impact on the cut zone the above mentioned method seems very convenient. On the other hand, water jet leaves a typical trace on the cut face a groove which consists of two different zones, a coarse and a grooved one. The roughness and lower quality of the cut surface thus induced may cause certain problems. However, with a correct choice of technological and manufacturing parameters optimum quality results can be reached. Keywords: progressive technologies, processing by abrasive water jet, AlMg3, surface roughness 1 Introduction Cutting and division of materials by water jet, called hydrodynamic processing, has been known for several decades. However, a stable and effective water jet was first used for division of wood and plastic materials in 1970 [1]. The technology presented as Abrasive Water Jet Machining, the AWJM, was first commercially launched in 1983 for cutting glass. The abrasive water jet method has a wide spectrum of application; it can be used for processing various materials such as cast iron, anticorrosive steel, alloying carbonization steel, tool steel, aluminium, copper, titanium and their alloys, concrete, ceramics, rubber, plastic materials, composite materials with a metallic die etc. The method can be used for cutting out shapes as well as for turning, milling, drilling and thread rolling. Surfaces processed by the AWJM method are not influenced by any undesirable thermal changes in the material structure, the cut zone is not affected by any cracks, the process itself is dust-free and in comparison with other traditional cutting technologies no gases or other substances are released. Like almost all other high-energy jet technologies the AWJM leaves visible grooves on the cut zone which markedly influences shape accuracy and surface quality of the part. The surface consists of two different zones - the smooth one and the rough one with grooves of certain depth. Scientific literature often qualifies the state and quality of the AWJ processed surface according to roughness criteria which depend on various technological and operational parameters such as cutting speed, thickness and type of the workpiece or type of abrasive substance. 2 Cutting of material by water jet Cutting of material by an abrasive water jet (Fig. 1) is defined as a high-velocity erosive process or a controlled process of erosive deterioration. The abrasive cutting medium is channelled into a narrow jet of high cutting effectiveness. The abrasive cutting process ranks among mechanic processes as the reduction of material is induced by mechanic effects of the water jet impact on a surface unit. Fig. 1 Scheme of the water jet cutting process and the water jet trajectory [2] Obr. 1 Schéma procesu řezání vodným paprskem a dráhy paprsku [2] 256

257 where: N vertical distance travelled by the water jet in time t (mm.min-1) r water jet radius (mm) S length of the water jet trace according to the face (m) 2.1 Surface properties after the AWJ processing Abrasive Water Jet (AWJ) machining has been found to be one of the advanced technologies that meet processing requirements; due to its distinct advantages over other machining technologies [7]. Various scientific sources specializing in water jet cutting technology have already described the AWJ processed surface quality (Fig. 2). Water jet penetrating into the cut material loses its kinetic energy and starts to deviate from its original direction which is why it creates the typical striated pattern of two distinctive zones. Texture of the workpiece is thus divided into two zones along the cutting direction. Fig. 2 Two distinctive zones on an AWJ processed surface [1]Obr. 2 Dvě zóny, vznikajíce při řezání AWJ paprskem [1] In the cutting wear zone, the material is microcarved by abrasive particles which hit the material, cut a track into it and eventually bounce back to come out of the slit. In the deformation wear zone, the material is deformed by repetitive impacts of abrasive particles carried by a stream of water. The excessive deformation in this zone can lead to hardening of material and, consecutively, to its scission and splintering induced by impacts of the following particles. Soft materials are particularly susceptible to creation of fastspreading cracks. Reduction of material is eventually induced by its splintering and washing out of the slit. Roughness of the cut surface is not always the same. In the upper part of the cut zone where the water jet disposes of kinetic energy sufficient for cutting the surface is smoother. On the contrary, in the bottom part of the cut zone where the material is being deformed, the roughness is more significant. Existence of the two zones and differences in surface roughness bear evidence to the fact that the type of the cut material as well as its mechanical properties such as toughness and hardness are not to be underestimated since they influence penetration of water jet into the material and thus the cutting depth [1]. This knowledge could influence the final quality of the workpiece (provided that the AWJ process is the final operation) and should be considered if other technological operations are planned after the AWJ processing. To sum up, final quality of the processed surface and the effectiveness of the whole process are determined by the following parameters: water jet velocity and water pressure; dimensions, shape and material of the water jet; distance between the jet and the processed material stand off; angle of water jet deviation; type of abrasive and size of abrasive particles [1], [3]. The AWJM is a complex process, which is influenced by many parameters such as hydraulic, mixing, and abrasive parameters. Its capability to cut materials of different thickness depends on the choice of process parameters and the properties of materials being cut [8]. 3 Methods and material AlMg3 aluminium is a medium-hard material of very good resistance to corrosion, sea water and tropical weather conditions. It is chemically stable, polishable and weldable in various ways. Aluminium in hard state is better workable by cutting tools then when it is in soft state. It can be used for medium strain constructions and welded constructions which should resist the corrosion and sea water (e. g. piping, liquid tanks and vessels). The AlMg3 aluminium can equally be used in food industry and chemistry, as exterior or interior elements in architecture, in engineering, for construction of public transport vehicles and ships, supporting structures, heat exchangers and protection shields [4]. As mentioned above, we hold a theory that the surface texture and roughness of the upper part will differ from those of the bottom part of the cut zone. Decrease of kinetic energy will increase resistance of the cut material to water jet 257

258 penetration, which in turn induces its deflection. Arithmetic mean of roughness Ra is calculated as arithmetic mean value of all partial values of the roughness profile. The scheme is shown in the figure 3 and mathematical description given by the formula (1). lr 1 Ra = Z ( x) dx lr 0 (1) Fig. 3 Scheme of the arithmetic expression central attributes roughness Ra Obr. 3 Schematické vyjádření střední aritmetické hodnoty drsnosti Ra Samples aluminium AlMg3, EN AW-5754 were cut in the production plant. Thickness of samples and selected cutting velocity given in the table 1. Tab. 1 Parameters of searching samples Tab. 1 Parametry zkoumaných vzorků AlMg3 Thickness h (mm) Samples Cutting velocity vp (mm. min-1) 4 mm mm Others parameters and conditions in cutting, that were during the experiment constantly: Pressure of fluid: p= 400 bar The average of diamond crack water throat: do= 0,33mm Distance of throat above working stand off: x = 4mm The inclination angle of jet: φ = 90 The weighted flow of abrasive: ma=350g.min-1 The size of abrasive particles: dp= 80µm The material of abrasive:indic arnet 4 Results of experiment In the figure 4 there are cutting samples by water jet, choosing velocity (table 1), at compliance setting cutting conditions AWJ. 258

259 Fig. 4 Texture in the zone of cutting AlMg3 [5] Obr. 4 Textura v řezné zóně při řezání hliníku [5] Figure 5 shows an indication of the principle for attributes measuring of the coarseness in chosen depth of the material h=4mm a h=10mm. The roughness of samples has been measured by contact profilometre coarsened Surfcom 130 A, Carl Zeiss (fig. 6). Roughness surface has been measuring in the third or fifth level, depth of material one by one millimetre (fig. 5). Measuring has been realized in each place 5 times and average worth of roughness for attributes was inscribed in the chart. After that the average roughness Ra selected cutting velocities vp was calculated. Fig. 5 The principle of the surface - roughness measuring a) h=4 mm; b) h=10 mm Obr. 5 Princip měření drsnosti povrchu a) h=4 mm a b) h=10 mm 259

260 Fig. 6 The tactile profilometre Surfcom 130A [5] Obr. 6 Dotykový profilometr Surfcom 130A [5] In the table 2 a 3 are measuring attributes of roughness Ra for the cost thickness material - 4mm and choices rate of cutting vp AWJ. The graphic expression of the measuring attributes partial attributes of the roughness by individual depth of the material is displayed in the charts on the figure 7th and 8th. The lines in the chart are modified (dashed line), so it is possible to be more perfectly in comparison of the equal cutting velocity, i.e. vp = 400, 700 and 900 mm.min-1 at various thickness material. Tab. 2 Measuring attributes of the roughness for h=4 mm Tab. 2 Naměřené hodnoty drsnosti pře h=4 mm Cutting The depth of the measuring velocity on the sample (mm) Average vp value Ra h1 h2 h3 (mm. min-1) Tab. 3 Measuring attributes of the roughness for h=10 mm Tab. 3 Naměřené hodnoty drsnosti pře h=10 mm Cutting velocity The depth of the measuring on the sample vp (mm) (mm. min-1) h1 h2 h3 h Average value Ra h

261 ro u g h n ess R a depth of material (m m) vp=400 mm.min-1 vp=700 mm.min-1 vp=900 mm.min-1 vp=2000 mm.min-1 Fig. 7 The roughness in dependences on depth intrusion AWJ in material h=4mm Obr. 7 Drsnost Ra v závislosti od hloubky vyniknuti AWJ do materiálu h = 4 mm roughness Ra depth of m aterial (m m) vp=100 mm.min-1 vp=700 mm.min-1 vp=200 mm.min-1 vp=900 mm.min-1 vp=400 mm.min-1 Fig. 8 The roughness in dependences on depth intrusion AWJ in material h=10mm Obr. 8 Drsnost Ra v závislosti od hloubky vyniknuti AWJ do materiálu h =10 mm 261

262 roughness Ra cutting velocity vp (m m.min-1) h=10mm h=4mm Fig. 9 Dependence of the roughness Ra h = 4 and 10 mm, with an indication of comparing the same cutting speed vp Obr. 9 Závislost drsnosti Ra při h = 4 a 10 mm, s naznačením porovnání stejných řezných rychlostí vp 262

263 In the figure 9 there is a chart of roughness Ra at h=4 mm and 10 mm. Like in a previous chart, the cutting velocity, which were identical are marked linear. At h=4mm it was vp=2000mm.min-1 and h=10mm values vp=100 and 200mm.min-1. 5 The evaluation and discussion The searching surface after cutting by AWJ was evaluated at the third or fifth levels, depths 1 till 5 mm. Theoretically the surface is divided into two areas smooth, cutting wearing, channelled one and deformation wearing (Fig. 2). In the first area, which is occurred in the certain depth in third till halves thickness of material the roughness is lower and in the second one the advanced attributes Ra are captured. The charts in the 7 and 8th figures are confirming it. However, in the middle of the cutting material roughness of the surface a little bit went down, in the edge of these areas. In the three examples h=4 mm by vp=400, 700 a 900 mm.min-1 and by h=10 mm 100, 200 and 400 mm.min-1. Quite, the expectation, continual dependence on rising of roughness during the penetration of the jet to the material is unconfirmed by the way. Probably, to point out, that at this choosing vp it is satisfying roughness. There is a confirmation of the theoretical model according Maňková, I. and Hashish, M., who say, that below frontier of the cutting wearing the jet is moving by a cyclical way and can be at the time a stable. Then the jet chamfers by gradual steps and changes direction, that changes an angle of incidence of the particle, too. At high velocities, gradual loosing velocity, especially at thick materials there are process of the curves of the charts at the figures 6 and 7 equally rampant. The chart in figure 9 shows that, besides the type of cutting material it needs to take in reflection its thickness, too. At valuation of the roughness Ra at the same cutting velocity we mentioned, that at thick material there are the best attributes Ra, which are achievement at low cutting velocity, vp= mm.min1. On the contrary, also at vp=2000 mm.min-1, h=4 mm, there is a value Ra=13,26, therefore low as at vp=900 mm.min-1 at h=10 mm, where it was recorded a value till Ra=19,41. At thick material it is a larger resistance. During cutting the water jet loses the kinetic energy and the cannelure is more expressive. The roughness surface rises with it in the cutting zone. 6 Conclusion AWJM belongs to the unconventional technologies during which thermal and deformation influence of cutting area is not created, although the quality of cutting area is determined by some of the technological parameters. Resulting from the experiments and known theoretical background about AWJM it was found out that technological parameter such as cutting speed influences the roughness in the cutting zone. The higher the cutting speed is, the rougher the cutting zone is. The cutting zone is divided into two zones - cutting and deformation one. On the base of our examination we can concede that the slight roughness decrease occurred at certain speed on the border line of given zones. The highest chosen cutting speed for h=4mm, vp=2000mm.min-1 and h=10mm vp=900mm,min-1 increased cutting zone roughness which confirmed that the higher the cutting speed is, the rougher the cutting zone is. It is also necessary to consider not only the type of cutting material but also its thickness. By the right choice of cutting speed and the thickness of cutting material it is assumed that quality of cutting material surface in all of its surface cross - section meets the requirements laid on this progressive way of material division. Reference: [1] MAŇKOVÁ, I. Progresívne technológie, Vienala Košice, 2000, str [2] WILKINS, R.J., GRAHAM, E.E.: An Erosion Model of Waterjet Cutting, ASMEJ. of Engineering for Industry, vol. 115 feb pp [3] FABIANOVÁ, Jarmila: Význam skúmania vplyvu rezných parametrov pri rezaní vodným lúčom, Výrobné inžinierstvo, Číslo 2, ročník VI, 2007 ss [4] KALINCOVÁ, D. Technické materiály, TU vo Zvolene, 2010, str. 95. [5] KRÁL, Ľubomír: Hodnotenie kvality povrchu vybraných materiálov pri obrábaní abrazívnym vodným lúčom, Diplomová práca, 2011, KVTM FEVT TU vo Zvolene. [6] HASHISH, M.: The Effect of Beam Angle in Abrasive-Waterjet Machining, ASME J. of Engineering for Industry, Vol 113, feb pp

264 [7] WANG, JUN. Abrasive Waterjet Machining of Engineering Materials, Monograph Series, Materials Science Foundations, Volume 19, 2003, ISBN p. 27. [8] AHMADI-BROOGHANI S.Y., HASSANZADEH H., Kahhal P. Modeling of Single-Particle Impact in Abrasive Water Jet Machining, World Academy of Science, Engineering and Technology 36, 2007, eissn , pp Abstrakt Název: Hodnocení drsnosti řezné plochy AlMg3 po obrábění abrazivním vodným paprskem Autor: Ing. Miroslava Ťavodová, PhD. Pracoviště: Katedra výrobných technológii a materiálov, Fakulta environmentálnej a výrobnej techniky, TU vo Zvolene Klíčová slova: progresivní technologie, obrábění abrazivním vodným paprskem, AlMg3, drsnost povrchu. Abrazivní vodní paprsek Abrasive Waterjet Machining AWJM nachází široké uplatnění při obrábění a opracovaní různých materiálů. Jako všechny vysokoenergetické paprskové technologie tak i AWJ zanechává viditelné rýhování na obrobené ploše. Tato skutečnost výrazně ovlivňuje rozměrovou přesnost a kvalitu povrchu obroků. V odborné literatuře se často kvalifikuje stav a kvalita povrchu obrobeného materiálu AWJ přes parametry drsnosti v závislosti na různých technologických a provozních parametrech. Jsou to např. řezné rychlosti, hroubka a druh obráběného materiálu, či volba abraziva. Zkoumaný povrch po řezání AWJ byl hodnocen v třech, resp. pěti úrovních, h=1 až 5mm. Teoreticky se povrch dělí na dvě zóny. V první zóně, která se vyskytuje do určité hloubky (do jedné třetiny až poloviny hloubky materiálu), bývá drsnost nižší a v druhé zóně jsou zaznamenávané hodnoty Ra vyšší. Grafy to také potvrdili. Avšak ve středu řezaného materiálu, tedy téměř na rozhraní těchto dvou zón, Ra mírně klesla a to pro h=4mm při vp=400, 700 a 900mm.min-1 a pro h=10mm při vp=100, 200 a 400mm.min-1. Celkem se tím nepotvrdila očekávaná, kontinuální závislost stoupání drsnosti při průniku paprsku do materiálu. Je tedy možno konstatovat, že při těchto zvolených vp je drsnost uspokojivá. Při vyšších hodnotách řezné rychlosti Ra dosáhla vyšší hodnoty, čímž klesla kvalita řezaného povrchu. Je tu předpoklad potvrzení teoretického modelu podle (Maňková, Hashish) kteří uvádějí, že pod hranicí řezného opotřebení postupuje paprsek cyklickým způsobem a stává se na čas stabilním. Pak se paprsek postupnými kroky zaobluje a mění směr, čímž mění i úhel dopadu částic. Při vyšších vp, při postupné ztrátě rychlosti paprsku, jsou průběhy křivek v grafech rovnoměrně stoupající. Graf popisující závislost drsnosti Ra při různých tloušťkách materiálu h=4 a 10 mm, s naznačením porovnání stejných řezných rychlostí vp poukazuje na fakt, že kromě druhu řezaného materiálu je nezbytné brát v úvahu také jeho hroubku. Při hodnocení drsnosti Ra při stejných řezných rychlostech pozorujeme, že při hrubším materiálu jsou nejlepší hodnoty Ra dosaženy při nižších řezných rychlostech, a to vp=100 až 400 mm.min-1. Naopak, při vp=2000 mm.min-1, h=4 mm, je hodnota Ra=13,26, tedy nižší než při vp=900 mm.min-1 pro h=10 mm, kde byla zaznamenána hodnota až Ra=19,41. Pro materiály s větší tloušťkou je jeho odpor větší. Během řezání ztrácí vodní paprsek svou kinetickou energii a rýhování je výraznější. S tím stoupá drsnost povrchu v řezné zóně. 264

265 Polymerní částicové kompozity na bázi odpadu s obsahem oxidu křemičitého Petr Valášek, Ing., Katedra materiálu a strojírenské technologie, TF, ČZU v Praze Miroslav Müller, Doc. Ing., Ph.D., Katedra materiálu a strojírenské technologie, TF, ČZU v Praze Marina Tkachenko, Ing., Katedra materiálu a strojírenské technologie, TF, ČZU v Praze Částicové kompozitní systémy se dnes využívají v řadě moderních průmyslových odvětví, kde splňují náročné požadavky na vlastnosti materiálů. Příspěvek se zaobírá možností využití odpadu na bázi odpadní balotiny, jakožto plniva těchto systémů. Neustále se zvyšující důraz na šetrné nakládání s odpady a šetření materiálů v obecné rovinně bylo hlavním impulsem pro experimentální výzkum. Aplikace odpadní balotiny v podobě plniva částicových kompozitů nabízí zcela jiný úhel pohledu na kompozitní materiály a to jako na materiály, které mají jedinečné výsledné vlastnosti definované synergickým součtem vlastností dílčích složek a zároveň slouží jako prostředek k šetrné materiálové recyklaci a využití druhotných surovin. Příspěvek se zaměřuje na vybrané mechanické vlastnosti takovýchto kompozitních systémů a to především na tvrdost a odolnost proti abrazivnímu opotřebení. Klíčová slova: Polymerní částicový kompozit, skleněné mikrokuličky, křemík, tvrdost, abrazivní opotřebení. 1. Úvod Vlastní experimentální program řeší problematiku polymerních částicových kompozitů s plnivem na bázi odpadní balotiny. Výsledky a závěry experimentálního programu přinášejí nové poznatky v oblasti využití sekundárních surovin, jakožto plniv polymerních částicových kompozitů. Vlastní výzkum byl zaměřen především na vybrané mechanické vlastnosti polymerních částicových kompozitů s plnivem na bázi odpadu (odpadní balotiny), jejichž popsání je důležité pro definování možných aplikačních oblastí těchto materiálů, které kromě zcela nových kvalitativních vlastností nabízejí i šetrnou možnost materiálové recyklace. Kompozit je heterogenní materiál složený nejméně ze dvou různých materiálových složek, které využívají vzájemného synergického efektu. Spojením vlastností dílčích složek kompozitu vznikají vlastnosti zcela nové. Vlastnosti systému může dávat součet vlastností složek podle jejich objemových podílů nebo složky mohou na sebe vzájemně působit synergickým způsobem, takže zajišťují kompozitu vlastnosti, které nemohou být přičítány prostému součtu vlastností složek na základě jejich objemových podílů [1, 2]. Ehrenstein [3] uvádí, že synergický účinek podobný kompozitním systémům existuje i na přírodní bázi. Srovnává například epoxidovou pryskyřici jednosměrně vyztuženou uhlíkovými vlákny a řez buňkou vlny merino. Kompozitní systémy tvoří dvě nebo více fází, které mají různé mechanické, fyzikální a chemické vlastnosti, jejichž vzájemná interakce ovlivňuje výsledné vlastnosti a chování. Výsledné vlastnosti polymerních kompozitních systémů vychází ze znalosti struktur polymerů, které definují jejich fyzikální a chemické vlastnosti. Z pohledu vazebních sil jsou pro polymery nejdůležitější vazby kovalentní, Van der Waalsova a vodíkový můstek a s nimi spojené vazební síly [3, 4]. Nahrazení primárních surovin surovinami sekundárními nabízí zajímavou možnost materiálové recyklace, která je citlivá k životnímu prostředí a měla by být preferována. Při volbě plniva na bázi odpadu je nutné respektovat legislativu České republiky, konkrétně přílohu č. 2 a složky uvedené v příloze č. 5 zákona 185/2001 Sb., o odpadech, které klasifikují nebezpečné vlastnosti odpadů. Na základě této skutečnosti je nutné volit odpady, které nespadají do skupiny odpadů nebezpečných a nakládání s nimi není nikterak legislativně omezeno. Z teorie polymerních částicových kompozitů vyplývá, že potenciální oblastí použití částicových kompozitů s plnivem na bázi odpadu mohou být aplikace směřující k renovaci strojních součástí, obnově funkčních ploch strojů či částí strojů a oblasti týkající se tmelení a spojování materiálů [5]. 2. Příprava zkušebních těles a použité metody V provedených experimentech funkci plniva zastávala odpadní balotina frakcí B112, B134, B159 (dle Katalogu odpadů skupina ). Použitá plniva přišla do styku pouze s materiálem, který nezměnil jejich charakter do oblasti nebezpečných odpadů. Je tedy nutné zohlednit základní materiál, který byl pomocí částic otryskáván. Matrice byla tvořena dvousložkovou epoxidovou pryskyřicí Eco-Epoxy 1200/324 vytvrzenou tvrdidlem P11. Polymerní částicové kompozity na bázi odpadní balotiny byly odlévány do předem připravených forem za laboratorních podmínek a byly připraveny s následujícím množstvím plniva v matrici vyjádřeným objemovými procenty, respektive poměry (vp): 5 %, 10 %, 20 %, 25 %, 30 % a 35 %. Míšek [6] uvádí, že kritérium pro zařazení vícefázových materiálových systémů mezi kompozity je 5% podíl výztuže (plniva). Příspěvek popisuje vybrané vlastnosti kompozitních systémů na bázi odpadní balotiny v intervalu 5 až 35 objemových procent plniva v matrici. Vyjádření množství plniva v matrici objemovými procenty, respektive objemovým poměrem, zabrání vlivu rozdílné hustoty matrice (hustota v nevytvrzeném stavu uváděná výrobcem je rovna 1,15 g cm-3) a plniva (hustota balotiny 2,5 g cm-3). V experimentu byla uvažována dokonalá smáčivost povrchu částic matricí. 265

266 Ke zjištění konkrétních tvarů a rozměrů částic plniva a k zjištění přítomnosti stopových částic základního materiálu nebo příměsí byla použita obrazová analýza provedená stereoskopickým mikroskopem SZP 11 - T. Na mikroskopu byly pomocí vestavěné kamery Artcam 300MI a softwaru Quick photo industry měřeny jednotlivé rozměry a plochy částic v 2D rovině při zvětšení 3,5. Tvrdost Tvrdost je definována jako odpor materiálu proti vnikání cizího tělesa nebo jako odpor materiálu proti plastické deformaci [7]. Tvrdost byla hodnocena v souladu s normou ČSN EN ISO 868 (Plasty a ebonit Stanovení tvrdosti vtlačováním hrotu tvrdoměru - tvrdost Shore) [8]. Experimentálně měřená tvrdost metodou Shore D, v souladu s výše jmenovanou normou, byla uskutečněna na tělesech o rozměrech 25 x 25 x 17 mm a to ve vrstvě usazené (viz. obr.1, kde Fg značí smysl působení gravitační síly), protože v této vrstvě docházelo (na tělesech o stejném rozměru) k experimentálnímu zjišťování odolnosti proti abrazivnímu opotřebení. Měření tvrdosti Shore D probíhalo vždy opakovaně minimálně na dvou různých zkušebních tělesech se stejným plnivem a objemovým množstvím plniva v matrici. Bylo uskutečněno vždy 25 měření. Obr. 1 Zkušební těleso Fig. 1 Test specimen Odolnost proti abrazivnímu opotřebení Předlohou pro stanovení odolnosti proti abrazivnímu opotřebení byla norma ČSN [9]. Princip byl převzat z metodiky Brožka [10], který se zaobíral abrazivním opotřebením kovových materiálů. Tato metoda byla implementována na polymerní materiály vzhledem k úspěšné aplikaci metody ve světě, příkladem je článek Suresha [11], který využíval brusné plátno na bázi SiC o abrazivitě 320 a 600. Müller et al. ve své práci [12] vycházeli z totožné metody a pro testování polymerních částicových kompozitů použili brusná plátna o zrnitosti P 120 a P 400. V provedených experimentech byla testována zkušební tělesa o rozměrech 25 x 25 x 17 mm, jež byla opotřebovávána brusným plátnem o zrnitosti P 220. Zkušební těleso bylo na plátno přitlačováno silou vyvozenou závažím o hmotnosti 2,35 kg a v průběhu zkoušky bylo posouváno od středu ke kraji brusného plátna. Pro srovnání hodnot poměrné odolnosti proti abrazivnímu opotřebení byla použita zkušební tělesa zhotovená z oceli o průměrné tvrdosti 100 ± 2 HV (etalon). Princip zkoušky odpovídá tzv. two body abrasion, kdy pevně vázané tvrdé částice vnikají do povrchu a při vzájemném pohybu tvrdší částice opotřebovávají měkčí materiál. Tento proces vede k oddělování materiálu a tím k hmotnostním a objemovým úbytkům materiálu. Při provedených experimentech byl využíván přístroj s rotačním pohybem (obr. 2). Poměrná odolnost proti abrazivnímu opotřebení (Ψ) umožní vzájemné porovnání různých materiálů v laboratorních podmínkách. Poměrná odolnost proti opotřebení byla definována vztahem (1): ψ = kde: ψ WOet. WOvz. (1) poměrná odolnost proti abrazivnímu opotřebení, Woet. průměrný objemový úbytek porovnávacích zkušebních těles [cm3], WOvz. průměrný objemový úbytek zkoušených těles [cm3]. [8] 266

267 Obr. 2 Zkouška odolnosti na brusném plátně. [8] Fig. 2 The test resistence on grinding canvas Hmotnostní úbytky byly zjišťovány na analytických váhách s citlivostí 0,1 mg, objemové úbytky byly dopočítány prostřednictvím skutečné hustoty systémů spočtené na základě hmotnosti a objemu. Pro snížení nepřesnosti bylo měření odolnosti proti abrazivnímu opotřebení provedeno opakovaně na třech zkušebních tělesech o stejném podílu a frakci plniva v matrici a následně bylo statisticky vyhodnoceno. 3. Výsledky experimentů Rozměry částic před otryskáním, společně s rozměry částic plniv po tomto procesu, naměřené na stereoskopickém mikroskopu uvádí tab. 1. Měření bylo na každé frakci plniva prováděno vždy 300krát. Po změření částic byla získaná data statisticky zpracována. Následující tab. 1 uvádí naměřené rozměry částic plniv na bázi odpadu ve srovnání s rozměry primárních materiálů, které byly naměřeny před samotným otryskáváním. Z provedených měření se potvrdil předpoklad, že v průběhu otryskávání docházelo ke změně rozměru částic plniv u jednotlivých frakcí. Tab. 1 Naměřené hodnoty rozměrů částic plniva na bázi odpadní balotiny Tab. 1Measured values of particles of filling agent based on waste glass beads Naměřený rozměr Naměřený rozměr Plnivo po otryskáním Znečištění stopovými částicemi před otryskáním (µm) (µm) Balotina B ± ± 36 Ano - korund Balotina B ± ± 21 Ano - korund Balotina B ± ± 29 Ano - korund Následující obr. 3 znázorňuje mikroskopem pořízený snímek balotiny frakce B134, kde je patrné stopové znečištění částicemi korundu, které pravděpodobně vzniklo v prostorách nedokonale vyčištěné tryskací kabině, odkud byla odpadní balotina odebrána. Tyto stopové částice byly v nepatrném množství (cca 1 částice korundu na 100 částic balotiny) pozorovány i u ostatních frakcí balotny. Obr. 3 Mikroskopický snímek balotiny B134 a znečištění částicí korundu Fig. 3 Microscopic slide of glass beads B134 and contamination of corundum particle 267

268 Tvrdost Shore D Tvrdost Shore D kompozitů s plnivem na bázi odpadní balotiny byla měřena ve vrstvě usazené, tedy ve stejné vrstvě, kde proběhlo experimentální stanovení odolnosti proti abrazivnímu opotřebení. Tvrdost pryskyřice bez plniva dosahovala hodnoty 83,10 ± 3,24. Závislost rozměrů částic plniva na bázi odpadní balotiny a tvrdosti Shore D uvádí následující obr. 4. Tvrdost ShoreD % 5% 20 % 30 % 35 % 25 % R230 % = 0,99 88 R25 % = 0, R 10 %= 0, R2 20 %= 130 0,62 2 R 25 %= 140 0,79 R2 35% = 0, Rozměr částic (μm) Obr. 4 Vývoj tvrdosti kompozitů na bázi odpadní balotiny Fig. 4 Hardness development of composites based on waste glass beads Závislost tvrdosti Shore D (T) na rozměrech částic plniva na bázi odpadní balotiny (r) (obr. X) popisují následující funkční rovnice (2 7). T5 % T 10 % T 20 % T 25 % T 30 % T 35 % = 0,0241r + 85,537 = 0,026r + 85,47 = 0,0231r + 86,616 = 0,0241r + 85,537 = 0,0277r + 88,25 = 0,018r + 88,408 (2) (3) (4) (5) (6) (7) Nejvyšší hodnota tvrdosti Shore D 91,13 ± 0,78 byla naměřena u kompozitu s 35 % plniva v matrici frakce B159. Nejvyšší nárůst střední hodnoty tvrdosti v závislosti na rozměru částic byl pozorován u kompozitu s podílem plniva 25 % (nárůst z hodnoty 89,24 ± 1,14 na hodnotu 90,82 ± 0,97). Za optimální rozměr částic odpadní balotiny vzhledem k tvrdosti Shore D lze uvažovat rozměr frakce B112 (154 µm). Odolnost proti abrazivnímu opotřebení Výsledky odolnosti proti abrazivnímu opotřebení kompozitních systémů s plnivem na bázi odpadní balotiny ve srovnání s ocelí (hodnota 1, na obr. 5 vyznačena na ose y) uvádí následující graf (obr. 5), který popisuje vliv rozměru částic plniva a objemového podílu plniva v matrici na poměrnou odolnost proti abrazivnímu opotřebení. Z grafu je patrné, že rozměr částic ovlivňuje poměrnou odolnost proti abrazivnímu opotřebení. Obr. 5 Poměrná odolnost proti abrazivnímu opotřebení (Ψ) Fig. 5 Relative abrasive wear resistance (Ψ) 268

269 1 0,85 Objemový úbytek 0,75 0,75 Hmotnostní úbytek 0,5 0,23 0,24 0,25 0,24 0,18 0,20 0,03 0,24 0,24 0,16 0,17 0,5 0,22 0,14 0,25 0,23 0,16 ) % ) 11 2 B 11 2 (3 0 (3 5 % ) B B 11 2 (2 5 % ) % B 11 2 ( B (2 0 % % ) (5 B O ce l1 (0 e Pr ys ky řic ) objemové úbytky (cm 3) 0,99 1 % ) hmotnostní úbytky (g) Z grafu (obr. 5) je patrné, že nejvyšší odolnost proti abrazivnímu opotřebení vykazovaly kompozitní systémy s 35% podílem plniva v matrici. Z tohoto pohledu lze konstatovat, že nelze vyslovit hypotézu, že se vzrůstajícím rozměrem částic plniva odpadní balotiny vzrůstala i odolnost proti abrazivnímu opotřebení těchto systémů. Pokud dojde k porovnání střední hodnoty poměrné odolnosti proti abrazivnímu opotřebení systémů (tato hodnota byla vypočítána jako aritmetický průměr z poměrné odolnosti proti abrazivnímu opotřebení všech podílů plniva v matrici vždy od jedné frakce) dosáhla frakce balotiny B 112 střední hodnoty Ψ = 0,2 ± 0,02, frakce B134 Ψ = 0,16 ± 0,02 a u frakce B154 Ψ = 0,18 ± 0,02. Z toho lze usuzovat, že kompozity s rozměrem částic 119 µm (B134) mají horší odolnost proti opotřebení nežli zbývající frakce. Nejvyšší hodnoty poměrné odolnosti proti abrazivnímu opotřebení byly zaznamenány u kompozitů s 35 % frakce B112 (Ψ = 0,25 ± 0,05) a kompozitů s 30 % frakce B112 (Ψ = 0,22 ± 0,06). Na základě provedených experimentů lze frakci B112 (154 µm) určit (z použitých frakcí) za nejvhodnější plnivo na bázi odpadní balotiny v oblasti abrazivního opotřebení (pro brusné plátno o zrnitosti P 220). Z tohoto důvodu uvádí obr. 6 hmotnostní a objemové úbytky kompozitů s tímto plnivem (všech podílů plniva v matrici) v porovnání s ocelí a epoxidovou pryskyřicí bez plniva. Obr. 6 Porovnání hmotnostních a objemových úbytků balotiny B112 Fig. 6 Comparison of weight and volume decreases of glass beads B112 4.Závěr Přidáním odpadního plniva na bázi balotiny do epoxidové pryskyřice vznikly zcela nové kvalitativní materiály, což potvrdilo předpoklad Kima et al. [13], kteří tuto skutečnost připisují vzájemné interakci mezi příslušnými složkami kompozitního systému. Aplikace odpadních plniv do epoxidové pryskyřice výrazně ovlivnila její mechanické vlastnosti. Tato skutečnost potvrdila závěry Stewarta et al. [14], jež uvádějí schopnost epoxidových pryskyřic být modifikovány různými druhy plniv. Přidání plniva na bázi odpadní balotiny do epoxidové pryskyřice zvýšilo tvrdost (až o 10 %) a odolnost proti abrazivnímu opotřebení (až o 84 %) u všech zkoumaných kompozitních systémů oproti pryskyřici bez plniva. Výsledky provedených experimentů souhlasí se závěry Vocela et al. [15], kteří přidáním skelného prachu do epoxidové pryskyřice výrazně zvýšili její odolnost proti abrazivnímu opotřebení. U kompozitů s plnivem na bázi odpadní balotiny nelze vyslovit hypotézu, že se vzrůstajícím rozměrem částic plniva roste odolnost proti abrazivnímu opotřebení. Tato skutečnost vyvrací výsledky práce Friedricha et al. [16], kteří zaznamenali mírný nárůst odolnosti proti opotřebení polymerních kompozitů s rostoucím průměrem přidaných skleněných kuliček. Na základě provedených experimentů lze vyslovit závěr, že polymerní částicové kompozity s plnivem na bázi odpadní balotiny mohou nalézt své uplatnění především v oblastech, kde je kladen důraz na dobrou odolnost proti abrazivnímu opotřebení, zvýšenou tvrdost při nízkých hodnotách hustoty a přijatelné ceně. Literatura BERTHELOT, J. M.: Composite Materials Mechanical Behavior and Structural Analysis. Mechanical engineering series, Berlin, s. AGARWAL, D. ; BROUTMAN, J.: Vláknové kompozity, SNTL Nakladatelství technické literatury, s. EHRENSTEIN, G.W.: Polymerní kompozitní materiály, Nakladatelství Scientia 1. vydání, s. LOCTITE: DER LOCTITE. Worldwide Design Handbook, Loctite European Group, München, 1998, 452 s. VALÁŠEK P. ; MÜLLER, M.: Vliv plniva na bázi odpadního abraziva z otryskávání na pevnostní charakteristiky polymerních částicových kompozitů. Strojírenská technologie, 2011, roč 16, č.1, s MÍŠEK B.: Kompozity. Brno: Technický dozorčí spolek, s. VOJTĚCH, D.: Materiály a jejich mezní stavy. Praha :VŠCHT, Praha, s. 269

270 ČSN EN ISO 868 (Plasty a ebonit Stanovení tvrdosti vtlačováním hrotu tvrdoměru). Český normalizační institut, Praha, 2003, 10 s. ČSN (Stanovení odolnosti kovových materiálů proti abrazivnímu opotřebení na brusném plátně). Český normalizační institut, Praha, 1973, 4 s. BROŽEK, M.: Abrasive Wear Resistance of Selected Hardfacing Materials. Manufacturing technology, č. 5, 2005, s. 5 9 SURESHA, B.N. ; RAVI KUMAR.: Two-Body Abrasive Wear Behavior of Particulate Filled Polyamide66/Polypropylene Nanocomposites. Journal of Applied Polymer Science, 119, s MÜLLER M, et al.: Vliv koncentrace zpevňujících částic na vlastnosti polymerních kompozitů. Jemná mechanika a optika, 55, 2010, s BYUNG CHUL KIM ; SANG WOOK PARK DAI GIL LEE: Fracture toughness of the nano-particle reinforced epoxy composite. Composite Structures, Elsevier, 2008, s STEWART, I. ; CHAMBERS, A. GORDON, T.: The cohesive mechanical properties of a toughened epoxy adhesive as a function of cure level. International Journal of Adhesion and Adhesives. 27, 2006, s VOCEL, M. ; DUFEK, V.: Tření a opotřebení strojních součástí, SNTL, Praha, 1976, 374 s. FRIEDRICH, K. ; CYFFKA, M.: On the wear of reinforced thermoplastic by different abrasive papers. Wear, 103, 1985, s Abstract Article: Polymeric particle composite with an fortifying phase with high silicon content Author: Petr Valášek, M.Sc. Assoc. Prof. Miroslav Müller, M.Sc., Ph.D. Marina Tkachenko, M.Sc. Workplace: Department of Material Science and Manufacturing Technology, Faculty of Engineering Czech University of Life Sciences in Prague Keywords: Polymeric particle composites, silicium, hardness, abrasive wear Today particulate composite systems are used in many modern industries, where they meet the demanding requirements on material properties. This article applies to the possibilities of waste utilization based on waste glass beads as filling agent in these systems. Permanently increased accent in waste disposal and material saving in general was an incitement to the experimental research. An application of waste glass beads as particulate-filled polymer composites offers absolutely different frame of reference on composite materials namely as materials that have final unique properties which defined synergetic sum of the subcomponent properties at the same time it is used as tool for friendly recycling and recovering scrap materials. The article aims for selected mechanical properties such composite systems namely for hardness and abrasive resistance. The article dedicates to the description of hardness and abrasive wear resistance of composite systems with 535% filling agent ratio in matrix. In the Fig. 3 there are the results of Shore hardness number, where had been increased values compared to values of resin without filling agent (83 ± 3,24). Particulate abrasive wear resistence in comparison with steel is written in Fig. 5. In Fig. 6 there are weight and volume decreases of glass beads B112 in comparison with resin without filling agent and steel On the basis of the progress experiments it can be expressed the fact, that particulate-filled polymer composites based on waste glass beads can be used primarily in fields, where emphasis is put on good abrasive wear resistence, high hardness and low density and acceptable price. Poděkování Tento článek vznikl v rámci řešení grantu IGA TF, č /1312/

271 Two local extremes of cutting speed Karol Vasilko., Anna Macurová Abstract In 1906 Taylor mathematically defined the dependance of tool durability on cutting speed in the CT form: T = m for the first time. It is an equation of a hyperbola, which represents itself as a straight v line in double logarithmic net according to Taylor. The dependance is valid for the tools made of high-speed steel. It has still been used in spite of the fact that new cutting materials, which cannot be used according to it, or can be used only partially in a narrow range of higher cutting speeds. The course of function T=f(vc) for the tools made of sintered carbid and ceramics will be identified in the paper. It requires extensive durability tests in a wide range of cutting speed. Interesting conclusions can be derived from its course. Key words: surface roughness, cutting force, tool life 1 Introduction Recent technology trends of material machining aim towards the increase in cutting speed. It is a well known fact that the quality of machined surface improves at higher cutting speeds, however at the same time durability of tool life decreases. The study of machining process characteristics related to cutting speed has shown that one more area of cutting speeds is interesting from the point of view of machining results. The considerations have continued following it. 2 Course of cutting forces related to cutting speeds The experiment is based on the observation of all three elements of cutting force at increasing cutting speed. The result is shown in Fig. 1. Fig. 1 Experimental dependace of the elelment of cutting force at cutting speed The course of dependance has shown that at minimal cutting speeds there occurs extreme cutting force as a result of intense outer friction between the tool face and the chip. With further 271

272 increase of cutting speed the material becomes plastic, the coefficient of outer friction decreases considerably, therefore cutting force has minimal values in the area of cutting speeds around 20 m.min-1. With next increase of cutting speed the material solidity decreases and its plasticity increases. Local maximum of cutting speed in given case is vc around 60 m.min-1. It is the area of built-up edge. After crossing this cutting speed, all elements of cutting force decrease slightly. The contact of the tool and the chip moves to the area of inner friction between the hindered layer of the chip and the chip itself. Therefore the curve has two local extremes, minimum of cutting speed cca 20 m.min-1 and maximum at vc = 60 m.min-1. 3 Quality of machined surface Another experiment is focused on the observation of the dependance of the quality of machined surface on cutting speed. In Fig. 2 there is a dependance of the biggest height of the uneveness of surface Rz on cutting speed at turning two carbon steels by the tool made of sintered carbid. Fig. 2 Experimental dependance of the biggest height of profile uneveness on cutting speed obtained at turning steels by the tool made of sintered carbid. The course of dependance is notably similar to Fig. 1. Again, it contains two extremes. At minimal cutting speeds the machined material is fragile, during chip creation and machining surface fissure-making process prevails. The fissures spread also to machined surface. With increasing cutting speed the quality of machined surface improves and it reaches minimum at cca 30 m.min-1. Then, however, as a result of the creation of built-up edge at the cutting wedge Rz it increases and reaches maximum values at vc = m.min-1. The surface is made by the traces of leaving chip part. In Fig. 3 there is a view of machined surface under electronic microscope, which equals cutting speed 50 m.min

273 Fig. 3 View of the zone of machined surface creation in the area of built-up edge With further increase of cutting speed it decreases continually, as well as the material rigidity decreases as a result of the increase of cutting temperature. Machined surface smoothes out plastically. In Fig. 4 there is a view of the zone of machined surface at cutting speed 100 m.min-1. It can be seen that the machined surface is smooth, it only contains traces of uneveness by the tool cutting wedge. 273

274 Fig. 4 View of the zone of chip creation and machined surface at cutting speed 100 m.min-1 The course of this dependance can be more clearly seen at turning C45 steel by cutting ceramics (Fig. 5). Absolute values of Rz are understandably higher in whole range of cutting speeds but the character of the dependance is identical. The values of maximum and minimum are shifted towards higher cutting speeds. Rz continually decreases from cutting speed vc 90 m.min-1 and at the speed of 500 m.min-1 it reaches value of only 5 μm. 274

275 Fig. 5 Experimental dependance of Rz on vc at turning by a tool made of Al2O3 It is necessary to remark that in both cases the processes of finishing turning with small cut depths and shifts have been observed. At roughing the results are different, a tendency to damage ceramic tool cutting wedge occurs mainly at small cutting speeds. 4 Tool wear and tool durability From the point of view of turning economy tool durability is the decisive characteristics. Therefore extensive experiments have been made to find out tool durability depending from minimal cutting force to maximal one. The dependance obtained during turning by the tools made of sintered carbid is shown in Fig

276 Fig. 6 Experimental dependance of tool durability on cutting speed at turning by the tool made of sintered carbid up to the criterion of blunting VBk = 0.3 mm The character of the dependance course is similar to the ones mentioned before. Durability is extremely high at minimal cutting forces, when the material is fragile and elementary chip leaves off, which only minimally touches tool face, so it wears it our only minimally. With gradual creation of fluent chip there occurs intense friction of cutting wedge, which leads to considerable decrease in tool durability. In given case it reaches minimum at vc = 20 m.min-1, only 40 min. In the following phase, as a result of creation of built-up edge which partially protects cutting wedge from wear, the durability increases and reaches maximum at vc = m.min-1. Durability reaches values up to 220 min. With further increase in cutting speed durability decreases sharply as a result of strong adhesion between the tool material and machined material and as a result of the decrease of machined material rigidity by the influence of high cutting temperature. With cutting speed 300 m.min-1 it is only 12 min. Also the dependance obtained at turning by clear ceramics Al2O3 has similar course. It is shown in Fig

277 Fig. 7 Experimental dependance T = f(vc) at finishing turning by ceramics with blunt criterion VBk = 0.3 mm In comparison with sintered carbid, minmum and maximum durability is slightly shifted towards higher cutting speeds. Absolute durability values are lower in whole range of cutting speeds. However, dependance character remains the same. With further increase of cutting speed the durability decreases continually. With extreme cutting speeds it reaches values of several minutes (for vc = 500 m.min-1 it is T = 3 min). Classical Taylor relation cannot be used for the analytical description as mathematical model of such dependance is not linear. An equation for the course from Fig. 6 can be adjusted as follows. It can be said that: T = C.exp(-v).((v4)+(v-1)) (1) where vc = (ln vc); v (0, ); vc (1, ); C = C(ap, f, rε); C = 50. Non-linear function T = f(vc) depends on non-linear parameters. It is possible to analyze the dependance statistically from n experimental dependancies of tool durability T1, T2,...Tn on cutting speed based on the experiment: Tt = T(vc.θ)+εt, (2) where θ = ( θ1,... θp)t; θ Rp is the vector of suggester parameters. Cutting speed vc is described by one-coumn vector; ε1 is required accuracy: εt = N(0,σ2). 2θ t = 1,...,n, partial derivations.t = 1,... n are connected functions. θ i. θ j The original formula can be expressed in the following form: 1 ln vc4 + ln vc (3) T= ln vc e Its graphic description can be seen in Fig

278 Fig. 7 Diagram T = f(vc) from analytical expression result. Given course can be used in the selection of cutting speed depending on required machining Optimal cutting speed canbe determined by the derivation of the equation (3) according to vc and by creating a derivation equal to 1, i.e. by a construction of a tangent to the curve under the angle of (3a) T = ln vc (ln vc ) + (ln vc ) e dt = 1 dvc we get two solutions. The first one refers to maximum durability, the second one to minimum durability. After adjustment the following equation can be solved ( ) 50.ln( vc)+50. vc.ln( vc)-200.ln( vc)+50+ vc.ln( vc) = 0 (4) The equation has two solutions. In the given case: vc opt = 100 m.min-1 and vc min = 22 m.min-1. The first cutting speed therefore secures maximum tool durability, but low-quality surface. The second one works vice versa. 5 Conclusion Observation of dependacies of characteristic features of turning on cutting speed in its wide range has shown that there exists an important area of small cutiing speeds, where a very good quality of machined surface can be obtained. However, this area is characteristic by minimum tool durability. This cutting speed can hence be recommended if turning quality is what matters without taking tool durability into account. It tool durability is the decisive criterion, it is necessary to choose cutting speeds around local maximum of the durability curve ( m.min-1). The area of extremely high cutting speeds offers high quality of machined surface, minimal cutting forces, but considerably decreased tool durability. 278

279 References [1] AHN, A. H et all.: Investigation of cutting characteristics in side-milling a multi-thread shat on automatic lathe. Annals of the CIRP Vol. 55/1/2006, pp [2] DAVIES, M. A., COOKE, A. L., LARSEN, E. R.: High Bandwidth Thermal Microscopy of Machining. AISI 1045 Steel, CIRP ANNALS 2005, Vo. 54/1 [3] GAZDA, J.: Teorie obrábění. Průvodce tvorbou třísky. Liberec: TU, 2004, 112 s., ISBN [4] GRZESIK, W.: Podstawy skawania materialow metalowych. Warszawa: Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 1998, 380 s.,isbn [5] HOLEŠOVSKÝ, F. et all.: Materiály a technologie obrábění. Ústí n. Labem, UJEP, 1991, 250 s. [6] KALPAKJIAN, S.: Manufacturing engineering and technology. New York: Addison Wesley Publishing Company, 1989, pp.1999, ISBN [7] KOMANDURI, R.: Some clasifications of the mechanics of chip formation when machining titanium alloys. Wear, vol. 76, 1982, s [8] MÁDL, J., KVASNIČKA, J.: Optimalizace obráběcího procesu. Praha: Vydavatelství ČVUT, 1998, 168 s. [9] SIMONEAU, A., ELBESTAWI, M.A.: The effect of Microstructure on chip formation and surface defect in microscale, microscale, and macroscale cutting of Steel. Annals of the CIRP vol. 55/1/2006, pp [10] ŠALAK, A., SELECKÁ, M., DANNINGER, H.: Machinability of powder Metallurgy steels. Cambridge: Cambridge International Sience Publishing, 2005, pp.836, ISBN [11] VASILKO, K., MACUROVÁ, A.: Identifikácia rovnice T = f(vc) pre spekaný karbid Technologické inžinierstvo, III, č.2/2006, s.8-11 [12] WEBER, H., LOLADZE, T.N.: Grundlagen des Spanens. Berlin: VEB Verlag Technik, 1986, 255 s. [13] WRIGHT, P. K.: Applications of the Experimental Methods Used to Determine Temperature Gradients. In: Cutting Tools. Austrial Conference Manufacturing Engineering., Adelaide, Barton, 1977, pp Dr.h.c. prof. Ing. Karol Vasilko, DrSc. PaedDr. Anna Macurová, PhD Faculty of Manufacturing Technologies Technical University of Košice Slovakia 279

280 Vliv slevárenských na kvalitu povrchu a strukturu slitiny AlZn5,5Mg2,5Cu1,5 Weiss, V., Ing., Ph.D., FVTM, UJEP v Ústí nad Labem, Česká republika. vajsova@fvtm.ujep.cz Způsob odlévání a správná volba formy k odlévání má zásadný význam na kvalitu povrchu odlitků a výslednou strukturu slitin. Hlavní náplní tohoto výzkumu je analýza drsnosti povrchu odlitků, hodnocení povrchových vad odlitků, hodnocení makrostruktury a mikrostruktury experimentální slitiny. Ve středových a okrajových oblastech odlitků byla provedena měření velikosti dendritických buněk a pórů. Vliv zvolených slévárenských forem na některé mechanické vlastnosti experimentální slitiny byl vyhodnocen na základě zkoušky tvrdosti podle Vickerse. Cílem tohoto experimentu je sledovat vliv forem (kovové, bentonitové, grafitová) při klasickém gravitačním odlévání slitiny AlZn5,5MgCu na strukturu a to z hlediska velikosti dendritických buněk a jejich krystalové nehomogenity v rámci samotných jednotlivých dendritů pomoci barevného leptání. Záměrně byla vybrána slitina s více legujícími prvky, kde je také předpoklad větší krystalové nehomogenity, kterou můžeme odhalit pomoci barevného leptání. Klíčová slova: slitina AlZn5,5Cu2,5Mg1,5, mikrotvrdost dle Vickrse, velikost pórů, dendritická buňka. 1 Úvod Cílem této práce je výzkum v oblasti vlivu používaných slévárenských forem na kvalitu povrchu a strukturu odlitků hliníkové slitiny AlZn5,5Mg2,5Cu1,5. Experimentální část práce můžeme rozdělit na jednotlivé analýzy, hodnocení a měření, které byly provedeny v rámci celého výzkumu. Provedení analýzy vlivu zvolených slévárenských forem na drsnost odlitků z hliníkové slitiny AlZn5,5Mg2,5Cu1,5 na základě výškových parametrů Ra, Rz a Rq. Identifikace a hodnocení výskytu povrchových vad u odlitků experimentální slitiny. Stanovení vlivu zvolených slévárenských forem na velikost dendritických buněk experimentální slitiny včetně zhodnocení výskytu a velikosti pórů. Analýza vlivu zvolených slévárenských forem na některé mechanické vlastnosti hliníkové slitiny AlZn5,5Mg2,5Cu1,5 na základě zkoušky tvrdosti podle Vickerse. 2 Experiment K přípravě odlitků zkoumaného materiálu byl použit hliník čistoty 99,8 % a potřebné legující kovy. Tavení daného materiálu se uskutečnilo v elektrické odporové peci K 70/13 při teplotě 730 C, teplota pece byla snímána digitálním teploměrem s přesností na ± 2 C. Tavenina byla při tavení ošetřena rafinační solí a z povrchu taveniny byly staženy stěry. Připravený materiál byl odléván gravitačním způsobem do kovové formy bez předehřevu a s předehřevem na teplotu 220 C, do formy bentonitové, grafitové a formy sádrové. Tloušťka stěny kovové formy byla 25 mm a grafitové formy byla 5 mm. Odlitky z kovové, bentonitové a sádrové formy měly následující parametry: d1 = 50 mm, d2 = 40 mm, h = 105 mm. Odlitek z grafitové formy měl následující parametry: d1 = 60 mm, d2 = 30 mm, h = 80 mm. Odlitky zkoumaných slitin byly připraveny dle chemického složení normy ČSN EN odpovídající slitině EN AW Chemické složení připravené experimentální slitiny v hm. % je uvedené v Tab. 1. Tab. 1 Chemické složení slitin AlZn5,5Mg2,5Cu1,5 Tab. 1 Chemical composition of AlZn5,5Mg2,5Cu1,5 alloy in % AlZn5,5Mg2,5Cu1,5 Zn Mg Cu kovová forma 5,21 1,89 1,47 [hm. %] Si Fe Al 0,05 0,06 91,30 Drsnost povrchu připravených odlitků slitiny AlZn5,5Mg2,5Cu1,5 byla hodnocena s využitím konfokálního laserového mikroskopu OLYMPUS LEXT OLS Snímání povrchu odlitků bylo v konfokálním režimu s využitím funkce analýzy drsnosti na přímce. Pro účely vyhodnocení drsnosti povrchu odlitků byl změřen nejčastěji využívaný výškový parametr Ra, Rz a Rq. (Tab.1). 280

281 Obr. 1 Snímání povrchu odlitku v konfokálním režimu Fig. 1 Scanning the surface of the casting in the confocal mode Tab. 2 Drsnost povrchu na základě parametru Ra Tab. 2 Surface roughness of casting Ra Slévárenská forma Průměr [µm] 13,94 Kovová s předehřevem Kovová bez předehřevu Grafitová Bentonitová Sádrová Rozptyl 3,88 Směrodatná odchylka 1,97 18,72 6,84 2,61 29,95 6,95 2,63 2,637 34,30 63,14 7,95 2,637 56,19 113,95 10, Rozptyl 93,68 Směrodatná odchylka 9,68 Tab. 3 Drsnost povrchu na základě parametru Rz Tab.3 Surface roughness of casting Rz Slévárenská forma Průměr [µm] 187,76 Kovová s předehřevem Kovová bez předehřevu 306, ,60 43,44 Grafitová 586, ,94 41,28 Bentonitová 596,70 336,61 18,35 Sádrová 395,18 382,97 19,57 Slévárenská forma Průměr [µm] Rozptyl Směrodatná odchylka 5,17 2, , , , , Tab. 4 Drsnost povrchu na základě parametru Rq Tab.4 Surface roughness of casting Rq 22,25 Kovová s předehřevem 31,40 Kovová bez předehřevu 26,12 Grafitová 56,24 16,18 Bentonitová 59,79 117,13 Sádrová 76,08 91,06 Pro hodnocení mikrostruktury slitiny AlZn5,5Mg2,5Cu1,5 byly podle následujícího postupu připraveny metalografické výbrusy. Pro zviditelnění struktury se takto připravené vzorky po dobu 7 minut chemicky leptaly kyselinou fosforečnou (10 % H3PO4). Struktura odlitku z kovové formy s předehřevem byla jemnozrnná struktura s pravidelnou orientací dendritických buněk po celém průřezu. U odlitku z kovové formy bez předehřevu lze ve středové oblasti pozorovat pravidelnou jemnozrnnou strukturu a v okrajové oblasti je viditelná 281

282 orientace dendritických buněk ve směru odvodu tepla. Obr.2 Mikrostruktura slitiny AlZn5,5Mg2,5Cu1,5, kovová forma s předehřevem, zv. 100x Fig.2 Microstructure AlZn5,5Cu2,5Mg1,5 alloy, metal form with heater x100 Obr.3 Mikrostruktura slitiny AlZn5,5Mg2,5Cu1,5, kovová forma bez předehřevu, zv. 100x Fig. 3 Microstructure AlZn5,5Cu2,5Mg1,5 alloy, cold metal form, x100 Obr.4 Mikrostruktura slitiny AlZn5,5Mg2,5Cu1,5, grafitová forma,zv. 100x Fig.4 Microstructure AlZn5,5Cu2,5Mg1,5 alloy, graphite form, x

283 Obr.5 Mikrostruktura slitiny AlZn5,5Mg2,5Cu1,5, bentonitová forma, zv. 100x Fig.5 Microstructure AlZn5,5Cu2,5Mg1,5 alloy, bentonic form, x100 Obr.6 Mikrostruktura slitiny AlZn5,5Mg2,5Cu1,5, sádrová forma, zv. 100x Fig.6 Microstructure AlZn5,5Cu2,5Mg1,5 alloy, plaster form, x100 Mikrostruktura odlitků z grafitové a z bentonitové formy se v porovnání s odlitky z kovové formy více hrubozrnná a velikost dendritických buněk byla také výrazně větší. Jednoznačně nejhrubší strukturu a největší dendritické buňky můžeme pozorovat u odlitku ze sádrové formy. Velikost dendritických buněk a velikost pórů se měřila na konfokálním laserovém mikroskopu Olympus Lext OLS 3100 s využitím funkce obrazové analýzy. Výskyt pórovitosti u odlitků z kovových forem byl nepatrný, výjimečně docházelo k výskytu pórů menších rozměrů. Odlitek připravený odléváním do sádrové formy byla pórovitost rozsáhlá a dosahovala největších rozměrů v porovnání s odlitky z ostatních forem. U odlitků z grafitové a z bentonitové formy byl viditelný zvýšený výskyt pórovitosti (Tab.6). Pro stanovení velikosti dendritických buněk bylo u každého odlitku provedeno 15 měření (Tab.5). Tab. 5 Velikost dendritických buněk slitiny AlZn5,5Mg2,5Cu1,5 Tab. 5 Dendritic cell size AlZn5,5Mg2,5Cu1,5 alloy Slévárenská forma Min. [µm] Max. [µm] Průměr [µm] Kovová předehřátá Střestřed Kovová studená Grafitová Bentonitová Sádrová Max. [µm] 168 Průměr [µm] 190 Tab. 6 Velikost pórů slitiny AlZn5,5Mg2,5Cu1,5 Tab. 6 Pores size AlZn5,5Mg2,5Cu1,5 alloy Forma Min. [µm] Kovová předehřátá 211 Střestřed 283

284 Kovová studená Grafitová Bentonitová Sádrová U všech vzorků experimentální slitiny byla stanovena mikrotvrdost materiálu dle Vickerse, která charakterizuje pevnostní vlastnosti materiálu a je ovlivněna chemickým složením a strukturou daného materiálu. Zkoušky mikrotvrdosti slitiny AlZn5,5Mg2,5Cu1,5 se prováděly na tvrdoměru SHIMADZU HMV při působení zkušebního zatížení o nominální hodnotě F = 1,961 N po dobu 12 sekund. U každého odlitku bylo provedeno 7 měření, kdy jednotlivá měření byla orientovánado středových oblastí dendritických buněk. Všechny naměřené hodnoty jsou přehledně zpracovány vtab.7. Tab. 7 Hodnoty tvrdosti Vickerse HV0,2 Tab. 7 Vickers hardness values HV0, 2 Slévárenská forma Průměr HV0,2 107,71 Kovová s předehřevem Rozptyl 3,24 Směrodatná odchylka 1,80 Kovová bez předehřevu 95,71 4,26 2,07 Grafitová 97,87 21,93 4,68 Bentonitová 96,23 16,44 4,05 Sádrová 72,53 6,06 2,46 Průměrná hodnota tvrdosti u slitiny odlévané do předehřáté kovové formy dosahovala 107,71 HV0,2 a jednalo se o nejvyšší hodnotu tvrdosti. Nejnižší průměrná hodnota tvrdosti byla naměřena u slitiny odlévané do sádrové formy 72,53 HV0,2. U slitiny odlévané do studené kovové, grafitové a bentonitové formy byly naměřeny přibližně stejné hodnoty tvrdosti. 3 Závěr Hodnocení vlivu zvolených slévárenských forem bylo rozděleno do několika dílčích analýz a měření, na základě jejichž výsledků bylo možné porovnávat odlitky z jednotlivých forem. Základním ukazatelem kvality každého odlitku je drsnost jeho povrchu. Z tohoto důvodu byla na konfokálním laserovém mikroskopu provedena analýza drsnosti povrchu odlitků ze zvolených slévárenských forem. K vyhodnocení drsnosti povrchu se použily nejčastěji využívané výškové parametry Ra, Rz a Rq. Nejnižší drsnosti povrchu (Ra 14) dosahovala slitina odlitá do předehřáté kovové formy, zatímco nejvyšší drsnost povrchu byla změřena u odlitku ze sádrové formy (Ra 56). Další využitou metodou pro hodnocení strukturních vlastností experimentální slitiny bylo hodnocení mikrostruktury, protože vliv intenzity odvodu tepla se výrazně projevil i na velikosti dendritických buněk slitiny. S využitím funkcí konfokálního laserového mikroskopu byly stanoveny průměrné velikosti dendritických buněk a pórů u všech odlitků ze zvolených forem. Průměrné velikosti dendritických buněk experimentální slitiny u zvolených forem dosahovaly následujících hodnot: předehřátá kovová forma 210 µm, studená kovová forma 251 µm, grafitová forma 294 µm, bentonitová forma 490 µm a sádrová forma 709 µm. Odléváním slitiny do sádrové formy vznikly největší dendritické buňky, které byly přibližně 3,3 násobně větší než buňky slitiny odlévané do předehřáté kovové formy. V odlitku slitiny ze sádrové formy byla pórovitost nejvyšší a průměrná velikost pórů byla 390 µm, což je přibližně 2 násobek velikosti pórů vznikajících odléváním do předehřáté kovové formy. U slitiny odlité do kovové formy došlo ke značnému snížení výskytu pórů a zároveň i ke snížení jejich průměrné velikosti. Průměrná velikost pórů u odlitku z grafitové a z bentonitové formy dosahuje přibližně stejných hodnot, jako odlitek z kovové formy, ale dochází zde ke zvýšenému výskytu pórů. Za účelem vyhodnocení vlivu zvolených slévárenských forem na tvrdost hliníkové slitiny AlZn5,5Mg2,5Cu1,5 byly u všech odlitků provedeny zkoušky tvrdosti podle Vickerse HV0,2. Jednotlivé zkoušky tvrdosti byly orientovány do středových oblastí dendritických buněk, kde se vyskytuje tuhý roztok α. Průměrné hodnoty tvrdosti stanovené na základě 7 měření u každého odlitku dosahují následujících hodnot: předehřátá kovová forma 108 HV0,2, studená kovová forma 96 HV0,2, grafitová forma 98 HV0,2, bentonitová forma 96 HV0,2 a sádrová forma 73 HV0,2. U odlitků ze studené kovové, grafitové a bentonitové formy jsou patrné pouze minimální rozdíly v hodnotách tvrdosti, zatímco u sádrové formy je z důvodu zvýšené krystalové segregace (odmíšení) dosaženo nejmenší hodnot. 284

285 Literatura [1] Michna,Š., Lukáč I.,Louda et al., Aluminium materials and technologies from A to Z, ISBN , Printed by Adin, s.r.o., Prešov 2007 [2] Lukáč I., Michna,Š., Atlas struktur a vad u hliníku a jeho slitin, Deltaprint, Děčín 1999, ISBN [3] Michna,Š., Nová I., Technologie a zpracování kovových materiálů, Adin, s.r.o.,prešov 2008, ISBN [4] Mondolfo L., F., Struktura i svojstva aljuminijevych splavov, Metallurgija Moskva, (1979), rusky. [5] Vajsová, V., Optimization of homogenizing annealing for Al-Zn5,5-Mg2,5-Cu1,5 alloy, Metallurgist, Volume 54, Issue 9, 2011, ISSN [6] Vajsová, V., Michna, Š.,Optimization of AlZn5.5Mg2.5Cu1.5, Alloy Homogenizing Annealing, Metallofizika i noveishie tekhnologii, Volume 32, No.7, 2010, ISSN [7] Vajsova, V., Michna, Š., Optimalizace homogenizacniho žihani slitiny AlZn5,5Mg2,5Cu1,5 Strojírenská technologie XV, 2010, , str. 6-11, ISSN Abstract Article: Influence of the casting mold for the quality of surface and structure AlZn5,5Mg2,5Cu1,5 alloy Author: Weiss, V. Workplace: FPTM, JEPU in Usti nad Labem, the Czech Republic Keywords: AlZn5,5Mg2,5Cu1,5 alloy, Vickers micro-hardness test, microstructure, pores size, plaster form, dendritic cells. Casting method and the correct selection of a form for casting is crucial to surface quality of castings and the resulting structure of alloys. The main content of the experimental work is to analyze the surface roughness of castings, evaluation of surface defects in castings, microstructure evaluation of experimental alloy. In the middle and peripheral areas of castings were measured the size of dendritic cells and pores. A target of this experiment is to study the influence of molds on the size of dendritic cells and their crystal inhomogenity under the terms of individual dendrites themselves by typical gravitational casting of the alloy AlZn5,5Mg2,5Cu1,5. A target of this experiment is to study the influence of moulds (metal, bentonic, graphite) on the size of dendritic cells and their crystal inhomogeneity under the terms of individual dendrites themselves by typical gravitational casting of the alloy AlZn5,5MgCu. Intentionally was chosen the alloy with more alloyed elements, where is also a hypothesis of bigger crystal inhomogeneity, which can we uncover with the help of colour corroding of quantitative evaluation of the size of dendritic cells of both mould types. Evaluation of selected foundry molds on the structure of the experimental alloys in the central and peripheral areas of castings. Analysis roughness alloy castings AlZn5, 5Mg2, 5Cu1, 5 based on height parameters Ra, Rz and Rq. Identification of surface defects in cast experimental alloys. To determine the effect of casting molds of the size of dendritic cells and pore size alloy AlZn5, 5MgCu. 285

286 Benefits of implementing E-procurement Samir Zic1, Goran Gregov2, Jasmina Zic3 1,2 Faculty of Engineering, University of Rijeka, Vukovarska 58, Rijeka, Croatia. 3 Vorax d.o.o., Vukovarska 68, Rijeka, Croatia. info@vorax.hr Introduction into problems In order to become and remain more cost competitive, companies must keep quality and production time on the same level simultaneously reducing purchasing costs and stock quantities. Purchasing department determines the most desirable vendor source and does its best to acquire them at the lowest prices while maintaining mutually beneficial relationships with suppliers. An efficient purchasing department is vital in achieving a significant profit margin. Its goal is to procure inventory at the lowest acquisition costs. During the last thirty years, the information in the companies have become much more important than it was in the past. At the beginning of 21st century, and with increasing popularity of Internet, term E-procurement (electronic procurement) started to gather importance. E-procurement is the business-to-business, business-to-consumer or business-to-government purchase and sale of supplies, work and services through the Internet as well as other information and networking systems. This article deals with main aspects of e-procurement and shows benefits of implementing it. Key words: Procurement, manufacturing, supply management, organization of work 1 Introduction Purchasing and procurement is used to indicate functions of procurement of materials, supplies, and services. Term supply management describes this process as it relates to a professional capacity. Employees who serve in this function are known as buyers, purchasing agents, or supply managers. Depending on the size of the organization, buyers may further be ranked as senior buyers or junior buyers. In addition to these functions, some firms implemented eprocurement divisions with trained and skilled personnel in IT and procurement. During the last thirty years, the information in the companies have become much more important than it was in the past. In addition, the value of accurate, reliable and timely information continues to grow further. Because of that, the share of IT workers in total employment grows by average of 2.58% per annum in OECD countries.[1] In recent decades, information has become sixth organizational resource, along with employees, machines, money, materials and management.[2] 2 History of procurement Most pretwentieth century purchasing departments existed in the railroad industry. The first book specifically addressing institutionalized purchasing within this industry was The Handling of Railway Supplies Their Purchase and Disposition, written by Marshall M. Kirkman in Harvard University offered a course in purchasing as early as Purchasing as an academic discipline was furthered with the printing of the first college textbook on the subject, authored by Howard T. Lewis of Harvard, in In the late 1960s and early 1970s, purchasing personnel became more integrated with a materials system. As materials became a part of strategic planning, the importance of the purchasing department increased. In the 1970s the oil embargo and the shortage of almost all basic raw materials brought much of business world s focus to the purchasing arena. The advent of just-in-time purchasing techniques in the 1980s, with its emphasis on inventory control and supplier quality, quantity, timing, and dependability, made purchasing a cornerstone of competitive strategy. By the 1990s the term supply chain management had replaced the terms purchasing, transportation and operations and purchasing had assumed a position in organizational development and management. In other words, purchasing had become responsible for acquiring the right materials, services, and technology from the right source, at the right time, in the right quantity.[3] At the beginning of 21st century, and with increasing popularity of Internet, term E-procurement (electronic procurement) started to gather importance. E-procurement is the business-to-business, business-to-consumer or businessto-government purchase and sale of supplies, work and services through the Internet as well as other information and networking systems, such as Electronic Data Interchange and Enterprise Resource Planning.[4] 286

287 3 Organizational structure as a prerequisite for the successful implementation of eprocurement The structure of the organization is usually represented by an organization chart, which provides a graphic representation of the chain of command within an organization. Decisions must be made about the duties and responsibilities of individual jobs as well as the manner in which the duties should be carried out. Organizing at the level of the organization involves deciding how best to departmentalize to effectively coordinate effort. There are many different ways to departmentalize, including organizing by function, product, geography, or customer. Executives divide an organization into different units based on one of the following six criteria: Function. Geographic location. Product. Process. Customers. Matrix. A manufacturing firm typically includes functional units called departments such as engineering, production, finance, sales, and personnel. Organizational structures of such manufacturing firm can be seen on Fig. 1. These different functions are controlled by managers who head each function. In this organizational structure, each function primarily focuses on its core tasks. Fig. 1 Common model of functional organizational structure with derived manufacturing, procurement and sale departments Many larger firms utilize multiple methods of departmentalization. Organizing at the level of job involves how best to design individual jobs to most effectively use human resources. Traditionally, job design was based on principles of division of labour and specialization, which assumed that the more narrow the job content, the more proficient the individual performing the job could become. However, experience has shown that it is possible for jobs to become too narrow and specialized. When this happens, negative outcomes result, including decreased job satisfaction and organizational commitment and increased absenteeism and turnover. In recent years, many firms have attempted to balance between the need for employee specialization and the need for employees to have jobs that entail variety and autonomy. Many jobs are now designed based on such principles as job enrichment and teamwork.[5] Organizations operating internationally may have to adapt their organizational structures, managerial practices, and products or services to differing cultural values, expectations, and preferences. The availability of support institutions and the availability and cost of financial resources may influence an organization s decision to produce or purchase new products. Technological change can significantly affect an organization. The use of, for instance, robotics affects the level and types of skills needed in employees. Modern information technology both permits and requires changes in communication and interaction patterns within and between organizations. Suggested organisational structure based on common model of functional organizational structure with derived E-procurement department is shown on Fig

288 4 E-Procurement The Internet and e-commerce is drastically changing the way procurement and purchasing is done. Use of Internet in buying has led to the terms e-purchasing or e-procurement. Communication required for competitive bidding, purchase order placement, order tracking, and follow-up are enhanced by the speed and ease afforded by establishing online systems. Reverse auctions allow buying firms to specify a requirement and receive bids from suppliers, with the lowest bid winning. E-procurement is considered one of the characteristics of a world-class purchasing organization. The use of eprocurement technologies in some firms has resulted in reduced prices for goods and services, shortened orderprocessing and fulfilment cycles, reduced administrative burdens and costs, improved control over off-contract spending, and better inventory control. It allows firms to expand into trading net-works and virtual corporations. [6] Criteria for e-procurement include: Supporting complete requirements of production (direct) and non-production (indirect) purchasing through a single, internet-based, self-service system. Delivering a flexible catalogue strategy. Providing tools for extensive reporting and analysis. Supporting strategic sourcing. Enhancing supply-chain collaboration and coordination with partners. [7] Fig. 2 Derived Procurement Department of suggested functional organizational structure with E-Procurement department 4.1 E-Procurement systems E-Procurement systems consist of at least electronic catalogue and baskets of goods collecting the orders. Often the E-Procurement system is linked to the company s Enterprise-Resource-Planning-System (ERP-System) and is thus able to synchronize orders and stock and to advice ordering to prevent out-of-stock situations. E-Procurement purchasing process with phases is shown on Fig. 3. Fig. 3 E-Procurement purchasing process 288

289 E-Procurement systems can be divided into three types according to the degree of integration: a. Closed systems In closed systems the networks of the supplier and the purchasing company are connected via Internet. This needs the adaption of their interfaces if they do not use the same software system. As regarded costs-benefits evaluation, this system is worthwhile for huge amount of transactions. The common system interface and the connection to the Enterprise-Resource-Planning-System maximise the efficiency effect. The functionality includes ordering, order approval, synchronization with ERP-System, order tracking, goods receiving and payment. b. Half open systems Wholesalers with many customers offer half open systems. Those systems (for example On-Demand-Solutions) are connected to the internal network of the supplier by a standard interface. The customers can place and track orders using their browser. Parallel interface to the customer s system are usual. On-Demand technology offers purchasers the usage of centrally provided software and hardware. Especially medium-sized companies take advantages of this Eprocurement solution luring with low costs and short project terms. c. Open systems Open systems (such as Online-Marketplaces) are particularly in use with maintenance, repair, and operations (MRO) goods and connected via Internet. The data exchange takes place through catalogues which are updated by the supplier in regular intervals. Public solutions like online-marketplaces offer numerous companies to order on their platform. They provide horizontal marketplace function as mediators between suppliers and company purchasers and offer a trade platform where suppliers can offer their products to a wide range of consumers and purchasers can compare prices more easily. 5 Conclusion As a significant part of modern IT, the Internet increases its importance in procurement management. This way Internet improves operation efficiency and competitive advantages of the total supply chain, e.g. sharing information, reducing cost, shortening cycle, enhancing cooperation, improving service, etc. [8] Through investigation, Lancioni et al. found that procurement function of the American enterprises is optimized widely because of the utilization of the Internet, for example, GE reduced 40 percent of procurement cost and more than 50 percent procurement personnel. [9] Hence, procurement management using the Internet has become the most important part of e-commerce strategy of the large enterprises [10] and this trend has been developing rapidly in recent years. At the same time, e-procurement becomes one of the research fields sponsored primarily by the Institute for Supply Management of USA. The whole procurement process from planning and order processing to payment can be strategically managed and optimized as well as costs become more transparent, verifiable and minimized. Automatic order process involves fewer people, minimizes need of interaction and saves resources. A connection to the company s ERP-System enables efficient procurement processes and optimizes warehousing and purchasing of goods. Pre-selected goods and suppliers secure high-quality standard. In general E-Procurement-solutions structure processes in a way that company s departments can concentrate more on their core tasks. References [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] V. Srića: Informatika menadžmenta, Računovodstvo, revizija i financije br.8, RRIF, Zagreb, 1993, pp 54 R. J. Thierauf: User Oriented Decision Support Systems, Prentice-Hall, New Jersey, USA, 1988, pp 3 Encyclopedia of Management, 5th ed.marilyn M. Helms, D.B.A., Editor Baily, P. J. H. (2008). Procurement principles and management. Harlow, England: Prentice Hall Financial Times. pp. 394 Encyclopedia of Management, 5th ed.marilyn M. Helms, D.B.A., Thomson Gale, pp Chang, Yoon, Harris Markatsoris, and Howard Richards. Design and Implementation of an e-procurement System. Production Planning & Control 15, no. 7 (2004): pp Caridi, Maria, Sergio Cavalieri, Giorgio Diazzi, and Cristina Pirovano. Assessing the Impact of eprocurement Strategies Through the Use of Business Process Modelling and Simulation Techniques. Production Planning and Con-trol 15, no. 7 (2004): pp Keskinocak, P., S. Tayur. (2001), Quantitative analysis for internet-enabled supply chains, Interfaces, Vol 31, No.2, pp Lancioni, R.A., M.F. Smith, H.J. Schau. (2003), Strategic Internet application trends in supply chain management, Industrial Marketing Management, Vol 32, No.2, pp Barua, A., et al. (2001), Driving e-business excellence, Sloan Management Review, Vol 43, No.1, pp

290 Vliv technologie obrábění na únosnost vrubové součásti Lattner Michal, Ing., Holešovský František, prof. Dr. Ing. Katedra technologií a materiálového inženýrství, FVTM UJEP v Ústí nad Labem. Pasteurova 3334/7, Ústí n. Labem. lattner@fvtm.ujep.cz, holesovsky@fvtm.ujep.cz Předmětem důležitého zkoumání současné doby jsou konstrukční vruby na součástech, které se denně zatěžují. Jelikož jsou konstrukční vruby významným koncentrátorem napětí, je nutné považovat tuto problematiku za velmi důležitou. Značnou roli na tom, jak se bude chovat součást při dynamické zatěžování, mají řezné podmínky a technologie obrábění. Současné podmínky ovlivňují velikost zbytkových napětí, změny struktury, tvrdost povrchu a tvoření trhlin. U mnoha součástí nalézáme nejrůznější typy konstrukčních vrubů. Jakékoliv porušení tvaru součásti, vytvoření průřezu, otvoru nebo drážky vyvolává v materiálu nerovnoměrné rozložení napětí. Každá technologie obrábění zanechává na povrchu součásti vlastní trhlinky, stopy po nástroji, což představuje charakter vrubu, místo kde dochází ke koncentraci napětí. Je třeba podotknout, že nesprávně použitá technologie obrábění, může zásadně rozhodnou budoucí životnosti součásti. Často i životnosti celého systému, kde se součást nachází. Klíčová slova: vruby, dynamické namáhání, broušení, životnost 1 Úvod Vliv dokončovacích operací na dynamickou únosnost v součásti představuje v dnešní době celkem novou oblast výzkumu. Již v předchozích výzkumech byla prokázána závislost mezi integritou povrchu a dynamickou únosností součásti (obr. 1). Současné hypotézy se opírají o mnoho parametrů integrity povrchu, některé jsou uvedeny na (obr. 2-3.). Dalším faktorem, který zde hraje roli je napětí v kořeni vrubu. Pro bližší představu jak vypadá rozložení napětí v součásti, která má konstrukční vrub, nám poslouží (obr. 4). Jednou z další hypotéz, je použití dokončovací technologie na povrch součásti a její výsledný profil. Z (obr. 4) jsou patrné rozdíly povrchu po soustružení, broušení a superfinišování. Se zvyšující se kvalitou a přesností dokončovací operace se mění velikost drsnosti a zbytkového napětí, které je vnášené v důsledku obráběcí technologie. Obr. 1 Změna profilu povrchu po dynamickém zatížení cyklů (42 hodin), materiál ložisková ocel 100Cr6 broušená kotoučem SG Fig. 1 Surface profile changes after dynamical load cycles (42 hours), material bearing steel 100Cr6, ground by SG grains 290

291 Obr. 2 Změny mikrotvrdosti v povrchové vrstvě, ložisková ocel 100Cr6, SG kotouč Fig. 2 Microhardness changes in surface, bearing steel 100Cr6, SG wheel Obr. 3 Změna zbytkových napětí při zatížení 5 a 78 hodin, SG kotouč, vc=30m.s-1, vp=0,26mm.min-1, Diol Fig. 3 Change of residual stress course at working 5 and 78 hours, ground by SG grain, vc=30m.s-1, vp=0,26mm.min-1, synthetic coolant Diol a) b) 291

292 c) Obr. 4 Profil povrchu po a) soustružení, b)broušení a c) superfinišování Fig. 4 Profile of surface after a) turning, b) grinding and c) superfinishing Z této hypotézy můžeme předpokládat, že v praxi by první podlehla únavě součást soustružená, následovala by broušená a nakonec součást obrobená pomocí superfinišovací technologie. U strojních součástí jsou konstrukční vruby charakterizovány svou velikostí a tvarem, a pro jejich výpočet se využívá součinitele koncentrace napětí Kf a poloměr kořene vrubu r. Vlastnosti materiálu jsou lepší, když hodnota součinitele Kf klesá. Protože k iniciaci únavových trhlin dochází hlavně na povrchu součásti, v místech koncentrace napětí a cyklické plastické deformace, má stav povrchu významný vliv na únavové vlastnosti. Je potřeba mít na paměti, že i při nejjemnějším broušení dochází na povrchu k mikronerovnostem, které působí jako lokální koncentrátory napětí. Pokud drsnost ve vrubu a v jeho okolí významně ovlivňuje vlastnosti vrubu během dynamického namáhání, můžeme předpokládat, že kvalita vrubu se stane velice důležitým prvkem ovlivňující životnost součásti. Pokud budeme tento předpoklad pokládat za hypotézu, potom je nutné nalézt: a) Ověření a vyvrácení hypotézy. b) V případě ověření by to znamenalo nalézt závislosti mezi parametry výroby vrubu a jeho životností. c) 2 V případě vyvrácení hypotézy, je potřeba nalézt důvod proč okolí vrubu ovlivňuje životnost. Experiment Výzkum vlivu obrobitelnosti a povrchových parametrů v oblasti vrubu vychází z několika úrovní. Jednou z nich je zatěžování součásti pomocí ohybu, dále pomocí kroutící dynamiky a také střídavé namáhání tahem a tlakem. Za velice důležitý fakt považujeme vztah mezi obráběním součásti a dynamickým zatížením. Experiment je prováděn na elektromechanickém stroji Inspekt 100. Zatěžovací stroj je schopný vyvinout tahovou zatěžující sílu až 100 kn. Tento přístroj není primárně koncipován pro cyklické namáhání. Také není možné cyklicky zatěžovat tah tlak, ani opačně tlak tah, došlo by k uvolnění tyčinky z čelistí. Obr. 5 Univerzální zatěžovací stroj a diagram cyklického zatěžování Fig. 5 Universal load machine and diagram of cyclic load 292

293 Obr. 6 Detail vzorku během zatížení Fig. 6 Detail of sample during load Jako materiál byla použita konstrukční ocel dle EN 10025, jedná se o jemnozrnnou nelegovanou ocel, hojně využívanou v automobilovém průmyslu, na součásti strojů a při konstrukci energetických zařízení. Zkoušky jsou prováděny na zkušebních tyčkách viz. obr. 7. Obr. 7 Vzorek pro únavovou zkoušku Fig. 7 Fatique specimen Zvolené řezné podmínky pro obrobení povrchu a tvorbu vrubu zkušebního vzorku. Posuv f je u soustružení (mm.ot-1). Řezná rychlost vc je u soustružení (m.min-1), u broušení (m.s-1). Tab. 1 Hodnoty dokončovací operace a zápichy Tab. 1 Values of finishing operation and necks POVRCH OBROBKU OZNAČENÍ VZORKU VRUB f vc typ f vc Ssk-B Soustruženo SK 0,05 94 zápich CBN U 0,13 35 Ssk-S Soustruženo SK 0,05 94 zápich SK U 0,05 94 Bsg150-B Broušeno SG 150 0,1 40 zápich CBN U 0,13 35 Bsg150-S Broušeno SG 150 0,1 40 zápich SK U 0,05 94 Bcbn125(0,1)-B Broušeno CBN 125 0,1 40 zápich CBN U 0,13 35 Bcbn125(0,1)-S Broušeno CBN 125 0,1 40 zápich SK U 0,05 94 Bcbn125(0,3)-B Broušeno CBN 125 0,3 40 zápich CBN U 0,13 35 Pro obrobení povrchu vzorku byl použit povlakovaný slinutý karbid, abrazivum typu SG a CBN, pro výrobu vruby byl využit opět slinutý povlakovaný karbid a kotouč z kubického nitridu boru. 293

294 V případě cyklického namáhání jsme nastavili maximální přírůstek, úbytek napětí 20 MPa/s. Vzhledem k přístrojovému vybavení experiment probíhal v tahové oblasti. Využíváme maximální dostupný přírůstek, pokles napětí 20 MPa/s, perioda jednoho cyklu byla zvolena na T= 8s. Na základě tahové zkoušky byly zjištěny hodnoty, které se staly základem pro další testování. Parametry a výsledky tahové zkoušky jsou zaznamenány v Tab. 2. Ze získaných hodnot tahové zkoušky byly stanoveny dva rozsahy napětí, které budou aplikovány na vzorky. Tab. 2 Výsledky tahové zkoušky Tab. 2 Results of tensile test OZNAČENÍ VZORKU POVRCH f [mm.ot-1] vc [m.min-1] Rp0.2[MPa] Rm[MPa] Ssk-zkouška 0,05 Soustruženo SK V prvním případě vyššího cyklického zatěžování bylo napětí stanoveno v rozmezí σh=630 MPa a σn= 550 MPa, v druhém případě, nižšího cyklického zatěžování je hodnota napětí σh=600 MPa a σn= Hodnocení výsledků Samotný vrub je možno považovat za makroskopický koncentrátor napětí. Tato skutečnost je u cyklicky zatěžovaných součástí umocněna zvyšující se koncentrací cyklických koncentrací plastických deformací způsobených koncentrací napětí ve vrubu, což v důsledku vede k nukleaci únavových trhlin. Z tohoto důvodu lze předpokládat, že na mez únavy bude mít větší vliv stav integrity povrchu ve vrubu, než stav integrity povrchu zkušební tyčky. Obr. 8 Počet cyklů do lomu při cyklickém zatížení MPa Fig. 8 The number of cycles to fracture under cyclic load MPa Z výsledků je patrné, že zkušební vzorky, u kterých byl vrub vytvořen pomocí abrazivního kotouče, dosahovali výsledky daleko vyšších hodnot, než u vrubu soustruženého. Až na výjimku, kde byl povrch soustružen pomocí SK a vrub broušen. U tohoto vzorku byl počet cyklů při zatěžování rapidně nižší. Při pohledu na obr. 9, kde je vidět drsnost ve vrubu je patrné, že zvýšená odolnost při cyklickém namáhání při zatížení MPa u zkušebních tyčinek s broušeným vrubem, proti zkušebním tyčinkám se soustruženým vrubem, není způsobena drsností povrchu ve vrubu. Soustružený povrch totiž dosahuje nižších hodnot drsnosti proti broušenému povrchu vrubu a tedy, kdyby na mez únavy neměly vliv i další složky integrity povrchu, měl by soustružený povrch naopak dosahovat vyššího počtu cyklů do lomu. 294

295 Obr. 9 Drsnost povrchu ve vrubu Fig. 9 Surface roughness in the notch 4 Závěr Článek je zaměřen na problematiku konstrukčních vrubů a možnosti ovlivnění dokončovací operací z hlediska životnosti. Nalezení vhodných řezných podmínek a technologie pro obrábění povrchu a utváření vrubu, je významným bodem pro budoucí životnost součásti. Správné využití technologie zajisté přináší nejen zvyšování bezpečnosti, zvýšení životnosti součásti, ale přináší také materiálové úspory. Z výsledků experimentu vyplynulo, že při cyklickém zatížení MPa vydržely zkušební tyčinky s broušeným vrubem a povrchem o řád více cyklů než tyčinky se soustruženým vrubem. Tímto se potvrdila hypotéza o ovlivnění životnosti součásti díky dokončovací technologii. Pro další pozorování vzorků při dynamickém zatěžování bych se zaměřil spíš na výrobu vrubu pomocí abraziv, která se kladně projevila na životnosti součásti. V rozdílných hodnotách drsnosti mezi soustruženým a broušeným vrubem se vliv drsnosti na životnost součásti neprokázal. S velkou pravděpodobností můžeme předpokládat, že ovlivňování životnosti součásti bude ležet na dalších faktorech, jako je volba vhodného druhu abrazivního zrna, vnášení zbytkového pnutí a řezné podmínky. Nicméně je potřeba prozkoumávat tuto oblast dále a hlouběji. Testování vzorků při nižším napětí je právě v průběhu zkoumání MPa. Nicméně můžeme potvrdit skutečnost, že počet cyklů je v tuto chvíli 1000x vyšší než při vyšším napětí. Poděkování Tento projekt vzniká za přispění GAČR 101/09/0504. Literatura [1] BUMBÁLEK, Leoš: Importance of Surface Structure for the Function of Machined Surface. Manufacturing Technology, vol. 1 (2001), p [2] HASHIMOTO, F; GUO, Y. B.; WARREN, A. W.: Surface Integrity Difference between Hard Turned and Ground Surfaces and Its Impact on Fatigue Life. Annals of the CIRP, vol. 55/1/2006 [3] HOLEŠOVSKÝ, František; NOVÁK, Martin: New knowledge in Properties of Ground Surfaces. Manufacturing Engineering, No. 2/2010, vol. IX., FVT Prešov, Slovensko, pp.17-21, ISSN [4] HOLEŠOVSKÝ, František: Formation and meaning of residual stress of ground surfaces. International Journal Of Computational Materials Science and Surface Engineering, No. 1, vol. 3 (2010) p.52-63, ISSN [5] HOLEŠOVSKÝ, František; HRALA, Michal; ZELENKOVÁ, Jana: Ground Surface Formation and Changes at Dyna-mical Loading. Manufacturing Engineering, 2/2006, p , ISSN [6] HOLEŠOVSKÝ, František; HRALA, Michal; ZELENKOVÁ, Jana: Properties of Ground Surfaces and Significance of Grinding Process. Proceedings 4th International Congress ICPM (2007), Kielce, Poland, p.23-27, ISBN [7] HOLEŠOVSKÝ, František; HRALA, Michal; ZELENKOVÁ, Jana: Changes of Ground Surface Properties at Dynamical Loading. Technological Engineering, 2/2007, ISSN