Střední průmyslová škola Praha 10 Učební texty NÁSTROJÁRNA III. ročník sepsal: VOBORSKÝ Jiří
ÚVOD: Co je Nástrojárna. Vznik nástrojáren, jako specializovaných pracovišť, byl reakcí na zvýšený zájem výrobců o zajištění nástrojů pro své výrobní provozy. Z počátku se hlavní výrobní náplní nástrojáren staly třískové obráběcí nástroje. Vývoj výrobních technologií si však vyžádal i změnu výrobní náplně nástrojáren. Klasické obráběcí stroje, pro které se v nástrojárnách vyráběly drahé speciální tvarové obráběcí nástroje, jsou dnes nahrazovány CNC technikou, která pracuje s levnějšími sériově vyráběnými normalizovanými nástroji. Dnešní nástrojárna je převážně předvýrobním provozem, jehož úkolem je výroba přípravků, lisovacích nástrojů, zápustek a forem na vstřikování plastických hmot, nebo lití kovů. Bez těchto produktů by nebylo možné zajistit velkosériovou či hromadnou výrobu finálních výrobků v daném množství a dodacích termínech. Nahrazováním třískového obrábění jinými způsoby výroby jsou dosahovány velké úspory výrobních i vedlejších nákladů. S výsledky činnosti nástrojárny se setkáváme prakticky na každém kroku, na ulicích v dopravě, zdravotnictví, školství, domácnostech atd. Dá se tedy bez nadsázky říci, že zasahuje do všech sfér lidského života. 1
Pravidla bezpečnosti práce při broušení. 1) Před upnutím je nutné zkontrolovat, zda brusný kotouč nemá trhlinky. Při lehkém poklepu musí kotouč vydávat jasný zvonivý zvuk. 2) Povinností obsluhy je zkontrolovat, zda otáčky stroje nejsou vyšší než povolená řezná rychlost vyznačená na štítku brusného kotouče. 3) Kotouč se upíná na stroj pomocí dvou kovových přírub, které mají mít stejný průměr. Mezi přírubu a kotouč se vkládá měkká podložka (např. tvrdý papír) silná 0,5mm. a přesahující průměr příruby o 1mm. 4) Šrouby, nebo matice přírub se dotahují rovnoměrně bez násilí. 5) Kotouče větších průměrů je nutné před upnutím na stroj vyvážit. 6) Nově upnutý kotouč je třeba prověřit během naprázdno při pracovních otáčkách po dobu alespoň 5 minut. Při této zkoušce musí brusič stát mimo rovinu rotace brusného kotouče. 7) Brusný kotouč musí být opatřen ochranným krytem. 8) Brusky pro ruční broušení musí mít stavitelnou podpěrku. Vůle mezi kotoučem a podpěrkou nesmí být větší než 2mm. 9) Orovnávání brusného kotouče se smí provádět jen speciálními orovnávacími pomůckami. 10) Při broušení a orovnávání je nutné používat ochranné brýle, případně respirátor. 2
Brusné nástroje. Jsou normalizované třískové nástroje, jejichž břitovou částí je brusivo. Základní charakteristiky brusiva: a) Druh brusiva přírodní (smirek, granát, diamant, atd.) - umělé (umělý korund, karbid křemíku, atd) b) Velikost zrna Brusivo je v brusném nástroji smícháno s pojivem. Při práci s brusným nástrojem brusná zrna odebírají z obrobku třísky a tím dojde k otupení zrna. Úkolem pojiva je, umožnit samovolné vylomení otupeného zrna a jeho nahrazení ostrým. Druh pojiva a jeho tvrdost ovlivňuje zásadním způsobem vlastnosti brusného nástroje. Pro obrábění tvrdých materiálů používáme brusný nástroj s měkkým pojivem (brusné zrno se dříve otupí) a pro obrábění měkkých materiálů použijeme brusný nástroj s tvrdým pojivem (brusné zrno se otupí později). Druhy pojiva: keramické, silikátové, magnezitové, šelak, pryž, umělá pryskyřice, klih. Nástroje vyráběné z brusiv: Brusné prášky a pasty Smirková plátna a papíry Ruční brousky různých průřezů Brusné kotouče a segmenty Honovací a superfinišovací kameny Orovnávací pomůcky 3
Broušení. Broušení je třískové obrábění. Provádí se na strojích, které se jmenují brusky, nejpoužívanějším nástrojem je brusný kotouč. Broušení používáme pro dosažení vysoké geometrické přesnosti obrobku a kvality obrobeného povrchu, případně pro obrábění materiálů, které by bylo obtížné, nebo jinou metodou obrobit nemožné. Broušení dělíme: Ruční - používáme přenosné elektrické či pneumatické nářadí, nebo jednoduché stolní, případně stojanové brusky. Strojní - brousíme rovinné, tvarové, nebo válcové plochy na strojích vybavených strojními posuvy a často řízených počítačem. Vlastnosti brusného kotouče určují pro jaký materiál a způsob broušení je kotouč vhodný. Potřebné informace pro správnou volbu kotouče uvádí výrobce na štítku, jímž jsou kotouče větších rozměrů opatřeny. Příklad označení brusného kotouče: ELEKTRIT A99 60 K 8 V - 250 76 x 20 - ČSN 22 45 10 ELEKTRIT obchodní značka brusiva A99 - umělý korund (druh brusiva) 60 - zrnitost (velikost brusného zrna) K - tvrdost pojiva 8 - pórovitý (struktura / sloh) V - keramické pojivo 250 x 76 x 20 -----rozměry kotouče Druh brusiva a jeho tvrdost musí být větší než tvrdost obráběného materiálu. Zrnitost volíme podle požadované drsnosti povrchu obrobku. Tvrdost pojiva volíme podle broušeného materiálu a způsobu broušení. Struktura (sloh) volíme podle způsobu broušení a požadované drsnosti povrchu obrobku. Na štítku je uvedena nejvyšší povolená konstrukční řezná rychlost brusného kotouče, otáčky vřetena stroje nesmí přesáhnout tuto hodnotu. Kvalitního povrchu dosáhneme jemným hutným kotoučem s tvrdým pojivem. Na hrubování použijeme pórovitý, měkký kotouč s hrubým brusivem, který nezatěžuje obrobek teplotou. 4
Broušení rovinných ploch. Menší rovinné plochy brousíme obvodem brusného kotouče na strojích s horizontální osou vřetena. Velké rovinné plochy brousíme čelem hrncového, nebo segmentového kotouče se svislou osou vřetena. Rovinná bruska BPH 20.(s magnetickou upínací deskou) 1 --- Základ stroje 5 --- Elektromagnetická upínací deska 2 --- Vřeteník s brusným kotoučem 6 --- Nádrž s čerpadlem chlazení 3--- Stůl pro podélný pohyb 7 --- Odsávání 4 --- Stůl pro příčný pohyb 8 --- Nádrž a čerpadlo hydrauliky Skladba pohybů: Hlavní pohyb je otáčivý brusný kotouč. Z hnací dvoustupňové řemenice přírubového el. motoru je přenášen klínovým řemenem na hnanou řemenici vřeteníku. Vedlejší pohyby svislý je ovládán ručně, nebo automaticky v závislosti na podélném pohybu stolu - podélný a příčný je možné provádět ručně, nebo pomocí hydrauliky. Obrobky upínáme např. upínkami, svěrákem, elektromagnetickou deskou atd. Přídavek na broušení volíme 0,15mm. Velikost třísky v setinových hodnotách a závisí na způsobu broušení, velikosti zrna, broušeném materiálu apod. Dosahovaná přesnost broušení je 0,01mm a jakost opracování od 0,1 do 0,8. 5
Broušení válcových ploch. Provádíme na bruskách hrotových, bezhrotých, případně vícevřetenových CNC strojích. Univerzální hrotová bruska 2UD P-2 1 --- Základ stroje 2 --- Stůl pro podélný posuv 3 --- Brusný vřeteník pro vnější broušení 4 --- Brusný vřeteník pro vnitřní broušení 5 --- Pracovní vřeteník 6 --- Koník 7 --- Skříň elektroinstalace 8 --- Nádrž s čerpadlem chladicí kapaliny 9 --- Panel s ovládacími prvky stroje Skladba pohybů: Hlavní ----- otáčivý brusný kotouč poháněný elektromotorem. Vedlejší --- podélný obrobek ručně a hydraulicky. ---- příčný brusný kotouč, ručně a hydraulicky. ---- otáčivý obrobek, elektromotorem poháněný pracovní vřeteník. Univerzálnost použití stroje Válcové plochy --- vnější ------ vnitřní Kuželové plochy --- vnější ------ vnitřní Čelní plochy --- 6
Kombinace čelní a válcové plochy Tvarové plochy ---vnější -----vnitřní Upínání obrobku: --univerzální sklíčidlo, hroty, kleština, přípravek, elektromagnetická deska. Přídavek na broušení 0,3 mm, tříska v setinových hodnotách, přesnost 0,01, jakost opracování 0,1 CNC hrotová bruska 7
Ostření nástrojů. Ostření provádíme : - Ruční - Strojní Zásady ostření nástrojů: - Nástroj ostřit včas, dokud opotřebení břitu nezpůsobí velké poškození ostří (na jedno naostření břitu se počítá s úběrem cca 0,15 mm z broušené plochy) - Správně zvolit brusný kotouč - Pracovat s orovnaným a naostřeným brusným kotoučem - Ostřit pod správnou geometrií břitu - Kvalitní jemný výbrus břitu zvyšuje jeho životnost a zlepšuje kvalitu opracování povrchu obrobku - Zajistit dostatečné chlazení ostřeného břitu nejlépe proudem chladicí kapaliny (obzvlášť důležité při ostření nástrojů z kalených nástrojových ocelí) Ruční ostření nástrojů. Ručně ostříme nástroje, u kterých případné nepřesnosti ostření příliš neovlivní funkci ostřeného nástroje. Ručně ostříme např. zámečnické a truhlářské nástroje, jednoduché soustružnické nože a vrtáky menších průměrů. Při ručním broušení je ostřený nástroj držen rukou brusiče a podepřen opěrkou brusky. Brusky pro ruční ostření Dvoukotoučové - stolní, stojanové Speciální bruska dvoukotoučová BBT 350 8
Strojní ostření nástrojů. Nástroj je upnut zpravidla v univerzálním upínacím prvku (mezi hroty, v univerzálním sklíčidlu, kleštině, svěráku apod.) tím se dosáhne potřebné přesnosti geometrie břitu broušených nástrojů. Stroje pro strojní ostření nástrojů Univerzální nástrojové brusky N-1 a 3A64D Při ostření na těchto strojích je břit nástroje opřený podpěrným palcem, jehož vertikálním přestavením o vzdálenost X nastavíme požadovaný úhel ostření (vzdálenost X stanovíme z tabulky pro daný průměr ostřeného nástroje a požadovaný úhel ostření). Speciální nástrojové brusky Bruska na kotoučové pily BP - 12 - Bruska na vrtáky 3659M V provozech jsou tyto brusky nahrazovány výkonnými stroji řízenými počítači. 9
Výroba lisovacích nástrojů. Lisovací nástroje jsou zhotovovány pro zajištění sériové výroby součástí. Druhy lisovacích nástrojů: - střižné, ohýbací, tažné, protlačovací, atd. Používají se i nástroje kombinované. Podle toho na kolik zdvihů lisu výlisek vznikne, dělíme lisovací nástroje na blokové a postupové. Hlavní části střižného nástroje: 1 - Upínací stopka 2 - upínací deska 2a - kotevní deska 3 - střižník 4 - zapuštěné šrouby 5 - vodící deska 6 - vodící pravítka 7 - střižnice 8 - základní deska 9 - šrouby a válcové kolíky Pro zkrácení průběžné doby výroby lisovacích nástrojů lze dnes použít sériově vyráběné polotovary, tzv. Řezné skříně, které jsou vyráběny v různých velikostech. Nástrojárna do řezné skříně vyrobí pouze střižníky a otvory pro střižníky v deskách. Řeznou skříň tvoří: Hlavička nástroje (upínací a kotevní deska), vodicí deska, vodicí pravítka, střižnice a základová deska. Postup výroby střižného nástroje 1) demontáž řezné skříně 2) výroba střižníků z bloku kalené nástrojové oceli 3) tepelné zpracování střižnice 4) výroba otvorů pro střižníky do střižnice, kotevní, vodící a základové desky 5) srazit hrany okolo otvoru pro střižník v kotevní desce, střižník na konci vyhřát a kladivem roztemovat do sražených hran. Přesahující materiál se odbrousí na rovinné brusce. 10
6) provedeme montáž sestavy hlavičky nástroje a střižník se naostří na rovinné brusce 7) naostření střižnice na rovinné brusce a sestavení řezné skříně 8) nástroj se odzkouší a výlisky projdou kontrolou na měrovém středisku 9) následuje označení nástroje identifikačním číslem a uložení do skladu nástrojů Pro správnou funkci nástroje má rozhodující význam přesnost výroby střižníků a otvorů pro střižníky v deskách řezné skříně. V kotevní a vodicí desce suvně bez vůle, střižnice se vyrábí se střižnou vůlí, která se počítá ze síly stříhaného materiálu ( 1/16 až 1/20 síly mat.). Zároveň je třeba střižnici uvolnit pod úhlem cca 3, aby se v ní výlisky nehromadily. Mohlo by dojít k roztržení střižnice. V základové desce vyrábíme otvor větší, aby výlisek volně vypadl z nástroje. Pro dosažení vysoké přesnosti výroby lisovacích nástrojů je využívána nejmodernější CNC technika elektroerozivního obrábění. Tato metoda umožňuje vyrábět střižníky a střižnice z už kalených ocelí, čímž se odstraní nebezpečí deformací při tepelném zpracování oceli. Další výhodou této metody je možnost výroby i velmi tvarově složitých střižníků a střižnic, které se vyráběly skládáním tvarových částí. Střižnice vyrobená na elektroerozivním stroji Skládaná střižnice Použití elektroerozivních strojů v nástrojárnách umožnilo velké zkrácení průběžných dob výroby lisovacích nástrojů a zároveň vyrábět části nástrojů z materiálů jinou metodou nesnadno obrobitelných (např. slinutých karbidů). Rychlost řezání nezávisí tolik na síle řezaného materiálu jako na jeho schopnosti odolávat teplotě. U nejmodernějších strojů se rychlost pohybuje od 40 do 100 mm/min v desce síly 20 mm kalené nástrojové oceli. Dosahovaná drsnost povrchu je 0,05 Ra bez nutnosti dalšího opracování a přesnost výroby se pohybuje v tisícinách milimetru. 11
Princip elektroerozivního řezacího stroje (tzv. drátová řezačka). Navíjecí cívka řezací elektrody Řezací elektroda (měď, mosaz, molybden atd.) Horní vodicí rameno řezací elektrody Obrobek Dolní vodicí rameno řezací elektrody Odvíjecí cívka řezací elektrody Řezací elektroda je přesně kalibrovaný drát ( mosazný, měděný, molybdenový) a je připojena na jeden pól el. proudu. Obrobek připojený na druhý pól je pevně upnutý na pracovním stolu stroje. Vodicí ramena elektrody jsou pohyblivá (i nezávisle na sobě) a jejich pohyb je řízen počítačem. Přiblíží-li se elektroda k obrobku, vzplane elektrický výboj a dojde ke spálení části obrobku i elektrody. Proto se elektroda pohybuje od odvíjecí cívky, prochází obrobkem k cívce navíjecí, aby vlivem opalu elektrody nedošlo k rozměrovým vadám. Zároveň je do místa řezu pod tlakem vháněna dejonizovaná destilovaná voda, která odplavuje spálené částice vzniklé během řezného procesu. Elektroerozivní řezací stroj 12
Výroba a konstrukce přípravků. Přípravky jsou vyráběny pro potřeby sériové výroby a jsou to prvky umožňující pokračování výrobního procesu součásti. Bez přípravku by proces výroby součásti buď vůbec nemohl pokračovat, nebo za vynaložení nadměrných nákladů a prodloužení doby výroby. Přípravky se vyrábějí pro každý druh práce, např. polohovací přípravky pro obráběcí stroje, pro tepelné zpracování, svařování, montážní atd. Konstrukci přípravku ovlivňuje počet součástí v sérii a její opakovatelnost. Práce v dobře řešeném přípravku je bezpečná, přesná a může ji provádět i zaučený pracovník. Přípravek má zajistit: 1) Jednoznačné ustavení součásti 2) Vedení nástroje (vrtací přípravek) 3) Rychlou obsluhu bez zbytečných ztrátových časů 4) Snadnou kontrolu a čištění dorazových ploch 5) Bezpečnou práci Příklad konstrukce vrtacího přípravku. Zadání: Vyrobit 1000 ks čepů s otvorem pro závlačku. Konstruktér tohoto přípravku udělal několik chyb, které je třeba odstranit. 13
1) Vrtaný čep musí dosednout na dorazový šroub čelem, od něhož je kótován rozměr 6 mm. (došlo by k nesouladu tolerancí délkových rozměrů 35 a 6 podle normy netolerovaných rozměrů). 2) Čep je celý uvnitř přípravku, zhorší se tím kontrola správného dosednutí čepu na dorazový šroub a špatně by se z přípravku vyjímal. 3) Vrtací pouzdro prodloužit co nejblíže k vrtané součásti. (vrták má tendenci po oblém povrchu čepu sklouznout a může se zlomit) 4) Upínací šroub s drážkou pro šroubovák je nevhodný (způsobí ztrátové časy při upínání i vyjímání součásti). Upravený přípravek Zhotovené přípravky se v nástrojárně vyzkoušejí a projdou kontrolou na měrovém středisku. Po označení identifikačním číslem je přípravek uložen ve skladu přípravků. Během zpracování série ve výrobě, jsou součásti průběžně kontrolovány, aby se zamezilo vzniku zmetků, způsobených opotřebením dílů přípravku. Dojde-li k opotřebení, je přípravek odeslán do nástrojárny k opravě. Pro snižování výrobních nákladů se dnes používají přípravky stavebnicové, které se po dokončení sériové výroby dané součásti, rozeberou a sestaví se přípravek pro součást jinou. 14
Vytlačovací hlavy a formy pro zpracování plastů. Plasty se staly významným konstrukčním materiálem. Díky svým vlastnostem jsou schopné nahradit tradiční kovové i nekovové materiály. Vyrábíme z nich předměty denní potřeby, součásti strojů, dopravních prostředků a staveb, oděvy, hračky, sportovní potřeby atd. Plasty jsou lehké, pevné, odolávají korozi, chemickým vlivům a jsou snadno zpracovatelné. Plastické hmoty lze rozdělit podle různých hledisek. Například podle způsobu jak je získáváme: - Přírodní - Syntetické Pro potřeby průmyslového zpracování dělíme plasty např. podle toho, jak se chovají za zvýšené teploty: - Termoplasty - Reaktoplasty Termoplasty jsou teplem tavitelné, ochlazením tuhnou a tento proces lze vícekrát opakovat (např. polyetylen, polyvinylchlorid, polystyren) Reaktoplasty jsou teplem tvrditelné, po ztuhnutí je nelze znova teplotou přivést do plastického stavu (např. fenolformaldehydové, nebo močovinoformaldehydové hmoty). Je mnoho metod jak lze plasty zpracovávat. Nejrozšířenějšími metodami jsou vytlačování a vstřikování. Vytlačování hmota v plastickém stavu je vytlačována tvarovým otvorem v hlavě válce do volného prostoru. Tak se vyrábějí např. tyče, trubky, kabely, atd. Schéma vytlačovacího stroje. 1 pracovní válec, 2 pouzdro, 3 šnek, 4 vytlačovací hlava, 5 hubice, 6 trn, 7 lamač, 8 topení, 9 - chlazení 10 - násypka 15
Vytlačovací hlavy Vytlačovací stroj Vstřikování přesně odměřené množství roztavené hmoty je pod vysokým tlakem vstříknuto do dutiny formy, kde po ochlazení a ztuhnutí hmoty dojde k vyjmutí z formy. Schéma vstřikovacího stroje 1 pevná upínací deska, 2 pohyblivá upínací deska, 3 forma, 4 kloubový uzavírací mechanizmus, 5 vodicí tyče, 6 poloha kloubu při otevřené formě, 7 plastikační válec, 8 pásy el. topení, 9 tryska, 10 šnek, 11 termoplast, 12 násypka, 13 převodovka s regulací otáček šneku, 14 elektromotor, 15 - hydraulika posuvu šneku, 16 hydraulika posuvu vstřikovací jednotky, 17 - hydraulika kloubového uzavíracího mechanizmu, 18 lože stroje, 19 čerpadlo hydrauliky, 20 zásobník pneumatického rozvodu. 16
Pracovní cyklus vstřikovacího stroje. 1 pevná část formy, 2 pohyblivá část formy, 3 samočinné vyhazovače, 5 plastikační válec, 6 tryska, 7 šnek, 8 termoplast, 9 vtok, 10 výstřik a) - Plastikace: forma se zavírá, šnek se vrací, otáčí, plastikuje roztavenou hmotu a dopravuje ji k trysce. b) - Vstřik: vstřikovací jednotka se přitiskne k formě, šnek se přestane otáčet, posune se dopředu jako píst a vstříkne taveninu do formy. c) - Ukončení vstřiku: po dokončení vstřiku a ztuhnutí vtoku se vstřikovací jednotka vzdálí od formy. Šnek se otáčí a vrací zpět a plastikuje další dávku hmoty. d) - Otevření formy: po úplném ztuhnutí celého výstřiku se forma otevře a vyhazovače výstřik samočinně vyhodí. Vstřikovací lis s vodorovnou i svislou vstřikovací jednotkou. 17
Výroba forem na vstřikování plastů. Dutiny forem jsou vyráběny na moderních CNC strojích. Dříve používané třískové obrábění na frézkách je nahrazováno elektroerozivním obráběním. Touto metodou lze obrábět i kalené materiály bez nutnosti dalších dokončovacích úprav obrobeného povrchu formy. Princip elektroerozivního hloubicího obrábění Hloubicí elektroda Obráběný materiál Vychylování elektrody Elektroda je připojena na jeden pól el. proudu, obrobek na druhý. Hloubicí elektroda je přibližována k obrobku. Mezi elektrodou a obrobkem vzplane elektrický výboj, který spálí částice materiálu obrobku. Tak elektroda postupně hloubí dutinu v obrobku. Aby proces nebyl brzděn částicemi spáleného materiálu, probíhá obrábění v lázni speciálně upravované vody, nebo petroleje. Proto že se elektroda také opalem zmenšuje, je její vertikální pohyb doplněn dodatečným pohybem tzv. vychylováním, vedeným po spirále či do stran. Tím je zajištěno, že dutinu formy lze vyrobit jednou elektrodou načisto bez nutnosti dalších dokončovacích operací. Detail dutiny formy Plochy uvnitř dutin forem pro vstřikování plastických hmot jsou propojeny přechodovými radiusy, které mají zajistit hladké obtékání vstřikované hmoty a zabránit vzniku staženin v místech nestejnoměrného chladnutí plastu. Při konstrukci dutiny formy je třeba vzít v úvahu smrštivost vstřikovaného plastu a dutinu vyrobit větší. Boční plochy dutiny jsou zkoseny pod úhlem cca 3 pro snadnější vyjmutí výstřiku z formy. Pro zvýšení produktivity a efektivnosti metody vstřikování jsou formy vyráběny vícenásobné (na jeden pracovní cyklus stroje vyrobíme více plastových součástí najednou). Tím zároveň dosáhneme snížení procenta odpadu, což je obzvlášť důležité při zpracování reaktoplastů. Odpad termoplastů se po recyklaci dá znovu zpracovávat. 18
Konstrukce plastových výrobků i forem probíhá na vývojových a konstrukčních pracovištích vybavených nejmodernějšími CAD/CAM systémy pro počítačovou podporu konstruování a obrábění na CNC strojích. 3D model plastové součásti Dvojnásobná forma Finální plastová součást 19