Konstrukce soustružnického nože s VBD pomocí SW Catia V5 SVOČ FST 2009 Marek Urban (marekurban@seznam.cz) 1 Úvod Z mnoha pohledů je soustružení nejjednodušší formou obrábění, kde pomocí jednobřitého nástroje (který je ve většině případů pevný, zatímco obrobek rotuje) zhotovujeme součástky válcovitého tvaru. Na druhou stranu, zde máme co do činění s nejčastěji používaným procesem obrábění, kde vývoj nikdy neustává. Moderní soustružnický nástroj je vysoce vyzrálým produktem zkušeností, výzkumu a vývoje, trvajících již několik desetiletí. Řezný nástroj je v dnešní době měřítkem pokroku v oblasti obrábění kovů, jehož vývoj nebylo možné ještě před několika desítkami let vůbec předvídat. V současné době je trendem začleňování CAD/CAM programů do konstrukce nástrojů. Tyto programy mají tu výhodu, že jsou komplexní. Cílem mé práce je definovat metodický postup konstrukce soustružnického nože s VDB v programu Catia. Tento postup spočívá ve vymodelování destičky v programu Catia V5, a její obtisknutí do držáku. V držáku nám vznikne lůžko pro VBD. Následně provedu parametrizaci. Mé poznatky budou použity jako podklad studentům, kteří budou vypracovávat semestrální práce z předmětu KCN na katedře KTO. Řešená problematika je realizována ve spolupráci s firmou Hofmeister s.r.o. 2 Konstrukce Moderní soustružnický nůž se vyznačuje osmi základními konstrukčními prvky, přitom se osvědčil následující postup výběru: 1. Upínací systém VBD 2. Velikost a typ držáku 3. Tvar a velikost VBD 4. Poloměr špičky 5. Typ a geometrie VBD 6. Řezný materiál 7. Řezné podmínky 8. Upínací systém držáku modulární nástrojový systém 2.1 Upínací systém VBD [4] Nejprve by měl být zvolen upínací systém VBD. Volbu upínacího systému určuje druh operace a velikost obrobku. Rozumí se samozřejmě, že hrubování velkých obrobků má zcela jiné požadavky na upínací systém než obrábění drobných součástek načisto. Všechny moderní systémy upínání VBD upínají VBD za díru. VBD poskytují mnoho výhod, jako jsou například: odpadává přeostřování a pájení destiček, mohou být použity lepší řezné materiály a geometrie, jednodušší a bezpečnější manipulace s nástroji. Obvykle se u těchto systému používají podložky. Jsou to destičky ze slinutého karbidu, které jsou vloženy do lůžka destičky a upnuty pružným kolíkem. Toto podepření
podložkou je důležité, protože tato podložka uděluje VBD maximální možnou stabilitu a pohlcuje řezné síly. V případě poškození VBD je tak nožový držák chráněn před poškozením a získává delší životnost. Vyměnitelná podložka slouží mimo jiné rovněž ke změně úhlu sklonu destičky. 2.1.1 ISO P [2] obr.č.:1 [2] 2.1.2 ISO M Tento systém slouží k upínání negativních destiček s válcovým otvorem a to jak s utvařeči tak bez nich. Upnutí destičky je realizováno úhlovou pákou. Jejich nejvýhodnější a také nejčastější použití je pro vnější soustružnické operace a to jak dokončovací tak i hrubovací. Alternativně se tento způsob upínání používá i pro držáky určené pro vnitřní soustružení otvorů větších průměrů. Tímto způsobem se upínají VBD stejného typu jako u systému ISO P. Tento typ upínání je vhodný zejména pro držáky, u nichž se dá předpokládat zvýšené dynamické namáhání. Tyto držáky se používají takřka výhradně pro vnější soustružení. [2] obr.č.:2 [2] V tomto případě je destička nasazena na pevný čep, k němuž je dotlačována upínkou, která současně fixuje břitovou destičku i shora. [2] Tímto způsobem je VBD pevně a bezpečně držena, lze ji však lehkým pootočením šroubu snadno uvolnit. [4] 2.1.3 ISO S S tímto systémem upínání se setkáváme zejména u nožů menších průřezů těles, určených pro vnější i vnitřní soustružení (vyvrtávání). Upnutí je v tomto případě realizováno speciálním šroubem, procházejícím kuželovým otvorem destičky. Dotažením tohoto šroubu je destička fixována v lůžku nožového držáku. [2] Výhody tohoto systému jsou například: bezpečné upnutí VBD opakovatelně vynikající přesnost upínání VBD volný odchod třísky úspora místa malý počet dílu = malý počet náhradních dílů Tento systém je optimální pro kopírovací soustružení díky obr.č.:3 [2] pozitivním VBD, které jsou do nožového držáku upnuty v neutrální poloze. U vedlejšího břitu tak vznikne velký úhel hřbetu, který je vhodný pro všechny způsoby kopírování a který zajišťuje čistý řez, dobrou jakost obrobeného povrchu a dlouhodobou trvanlivost břitu. [4]
V porovnání se systémem ISO P se výborně hodí tam, kde je málo místa pro upnutí VBD. [4] 2.1.4 ISO C [2] Tento systém slouží k upínání negativních i pozitivních destiček bez otvoru a to jak s utvařeči (předlisované, vybrušované a příložné) tak bez nich. Destička je v lůžku nožového držáku stabilizována upínkou dotahovanou šroubem, pod níž se u některých typů destiček vkládá ještě příložný utvářeč. Držáky s tímto systémem upínání jsou požívány pro obrábění vnějších i vnitřních ploch. Systém upínání ICO C ztrácí v současné době svůj význam. Zejména u nástrojů pro vnitřní soustružení je s výhodou nahrazován systémem S. obr.č.:4 [2] 2.1.5 ISO G [2] Tento systém upínání se používá u nožů pro soustružení zápichů a u nožů pro kopírovací soustružení (systém CTP). Destička je do lůžka držáku dotlačována upínkou shora. Dosedací plocha v držáku, v upínce i v destičce je profilována tak, aby se zabránilo vyvrácení destičky posuvovou složkou řezné síly. obr.č.:5 [2] 2.1.6 ISO X [2] obr.č.:6 [2] 2.1.7 Druhy a tvary lůžek pro VBD [3] Pod tímto označením se setkáváme s noži s tzv. speciálním systémem upnutí (tzn. je odlišný u jednotlivých výrobců a dodavatelů nářadí). V případě firmy Pramet jsou pod tímto značením uvedeny nožové držáky, které realizují upnutí destičky řeznou silou do samosvorného lůžka. Tento typ upínání se používá pro nástroje určené pro upichování a zapichování. Uložení VBD v lůžku musí být takové, aby řezné síly působící na destičku byly zachyceny lůžkem upínacím mechanismem a držákem nebo tělesem nástroje. Lůžko destičky musí být v tělese nástroje vytvořeno tak, aby složky řezné síly směřovaly k opěrným plochám a zatlačovaly VBD do lůžka. Upínací mechanismus zachycuje řádově malé síly při zvláštních
podmínkách obrábění a dynamické síly vznikající vlivem chvění. Základní typy uložení ukazuje obrázek č: 7: obr.č.:7 [3] a) Výrobně nejjednodušší je typ s uložením na dvou plochách (obr. č.: 7 a). Tento typ však nezaručuje přesnou polohu VBD a upínací mechanismus je zde značně namáhán. b) Typ s uložením na třech plochách (obr. č.:7 b) je nejpoužívanější. Jeho předností je přesné ustavení VBD a možnost zachycení řezné síly c) Lůžko pro tangenciálně uloženou VBD (obr. č.: 7 c) je obdobou typu b) je vhodné pro velké úběry Detailní řešení lůžka se u výrobců nástrojů liší a jeho provedení je různé pro jednotlivé typy nástrojů. Je však možno vytvořit typová uložení, např. pro destičku trojúhelníkovou (obr. č.: 7 a), čtverečnou, kosočtverečnou (obr. č.: 7 b). Povedení lůžka je závislé na požadavcích přesnosti obráběné plochy součásti. Poloha lůžka obvykle určuje polohu VBD. Ke zvýšení tuhosti uložení VBD se používají podložné destičky ze slinutého karbidu. (obr. č.: 8). Pro případ upnutí VBD šroubem za otvor se doporučuje řešit uložení destiček podle obr. č.: 9. Aby se dosáhlo určitého předpětí upnutí šroubem, provádí se vyosení závitového otvoru vůči ideálnímu středu destičky o míru e VD. obr.č.:8 [3] obr.č.:9 [3] 2.2 Velikost a typ držáku [4] Volba držáku je ovlivňována různými faktory: směrem posuvu, řeznými podmínkami, upnutím obrobku, nebo upnutím nástroje. Dále je nutno zohlednit přístup k nástroji. Při soustružení tvarů je rozhodující tvar obrobku. Složené operace je vhodné rozdělit na dílčí operace (podélné soustružení, čelní soustružení, kopírování), aby bylo možné posoudit, jaký typ držáku by byl nejvhodnější. Nutno ověřit jaké kombinační možnosti, nebo alternativy uvedené způsoby obrábění poskytují, aby bylo možné snížit počet použitých typů nástrojů na minimum, při dosažení optimálního výkonu. Typy držáků jsou určovány úhlem nastavení hlavního ostří a úhlem špičky, které jsou dány tvarem použité VBD. Vycházíme-li z těchto úhlů, musíme řešit otázky, týkající se řezných sil, stability břitu a přístupu k nástroji. Základním pravidlem je zvolit co největší možný držák, který se dá na daném stroji upnout. Tím se zmenší poměrné vyložení nože a získáme nejvyšší možnou tuhost ve prospěch stability břitu. Velikost držáku by měla také odpovídat velikosti VBD, podle které by se měla
určovat aktivní délka ostří. Zásadně by měl být zvolen nejmenší možný úhel nastavení hlavního ostří, který je možné s ohledem na obrábění použít. 2.3 Tvar a velikost VBD [4] Tvar VBD má být v souladu s úhlem nastavení hlavního ostří, přístupností, popřípadě mnohostranností použitelnosti soustružnického nože. Z důvodu stability a hospodárnosti bychom se rovněž měli rozhodnout pro takovou VBD, která má větší úhel špičky, ale s ohledem na pravidlo: univerzálnost před stabilitou, se naopak doporučuje použít při obrábění za střídajících se řezných podmínek, raději menší úhel špičky. Velikost VBD souvisí bezprostředně s držákem, který byl pro obrábění zvolen. Při volbě velikosti VBD je nutné zohlednit dva vzájemně si odporující faktory: spolehlivost obrábění a náklady. Větší VBD jsou sice dražší, zaručují však větší spolehlivost břitu. Toto hledisko převládne zvláště u náročných hrubovacích operací, nebo při obrábění s přerušovaným řezem. Při volbě velikosti VBD musí být také zohledněna největší hloubka řezu, která má být zvoleným nožem obráběna. Musí být stanovena aktivní délka ostří. V případě úhlu nastavení hlavního ostří 90 odpovídá aktivní délka břitu přesně hloubce řezu. Je-li úhel nastavení hlavního ostří 45 je aktivní délka ostří téměř jeden a půlkrát větší, než hloubka řezu. Je-li aktivní délka ostří VBD menší než hloubka řezu, doporučuje se zvolit větší VBD, nebo zmenšit hloubku řezu. Každý tvar VBD má maximálně přípustnou aktivní délku ostří. Jedná se o maximální směrné hodnoty, které zaručují spolehlivost obrábění při plynulém (nepřerušovaném) obrábění. Krátkodobě lze pracovat také s větší hloubkou řezu. 2.4 Poloměr špičky [4] Poloměr špičky VBD je klíčovým faktorem pro stabilitu při hrubování a pro stav povrchu při obrábění načisto. Při hrubováni se nejčastěji používá velikost poloměru od 1,2 do 2,4. Z pravidla by měla hodnota posuvu na otáčku při hrubování činit přibližně polovinu velikosti poloměru špičky. Při soustružení na čisto by měl být posuv na otáčku zvolen tak, aby nepřesáhl určitou hodnotu, nutnou k docílení uspokojivé jakosti obrobeného povrchu. Jakou směrodatný údaj se doporučuje: posuv na otáčku = maximálně 1/3 poloměru špičky. 2.5 Typ a geometrie VBD [4] Pro optimální plnění různých úkolů obrábění byl vyvinut velký počet typů VBD. Charakteristickým znakem pro typ VBD je geometrie břitu. Nejrůznější materiály a řezné podmínky určují různé požadavky na břit. Volba správné geometrie břitu je určována pracovní oblastí operace (od jemného soustružení načisto až po těžké hrubování) a materiálem obrobku.
obr.č.:10 [2] Další faktory ovlivňující volbu správné geometrie jsou: stav stroje, výkon, stabilita upnutí, obrábění kontinuálním nebo přerušovaným řezem a sklon k vibracím. 2.6 Řezný materiál [5] Řezný materiál volíme na základě vlastností materiálu obrobku, požadované produktivity dané možností stroje, předpokládaného zatížení nástroje při práci a ekonomiky procesu obrábění. U monolitních nástrojů je materiál tělesa nástroje shodný s řezným materiálem. U nástrojů s VBD, je těleso ze zušlechtěné konstrukční oceli. Je velice důležité, aby si i za vysokých teplot řezání břit zachovával mechanické vlastnosti. Zvláště pak tvrdost, která ovlivňuje odolnost proti opotřebení. Další důležité mechanické vlastnosti jsou: odolnost vůči tepelnému šoku, tepelná roztažnost, tepelná vodivost. Ideální řezný materiál by měl mít tyto vlastnosti: dostatečná tvrdost zajištění odolnosti proti otěru a plastické deformaci břitu vysoká houževnatost ochrana proti lomu malá tepelná roztažnost zvýšených pracovních podmínkách (řezná rychlost, posuv) chemicky neutrální chování vůči materiálu obrobku difúze vysoká odolnost vůči teplotě stabilita vlastností i za vyšších teplot řezání chemická stabilita odolnost proti oxidaci odolnost proti zatížení tepelným šokem
Graf nejpoužívanějších typů řezných materiálů v současnosti: 2.7 Řezné podmínky [4] obr.č.:11 [5] Jakmile jsou k dispozici všechny fyzikální faktory obrábění, musí být určeny řezné podmínky. Řezné podmínky určujeme na základě tabulek udávající doporučené hodnoty, které jsou uvedeny v katalogu soustružení. Při určování řezných podmínek vycházíme ze zvoleného řezného materiálu, rozsahu obrábění, a materiálu obrobku. Posuv je volen podle toho jako velký objem odřezaného materiálu je při hrubování přiměřený, nebo jaká jakost obrobeného povrchu je požadována. Následně může být zvolena řezná rychlost v poměru k posuv. Doporučené hodnoty, uvedené v tabulkách platí pro určitou tvrdost materiálu a pro úhel nastavení hlavního ostří 90. V případě že se materiál od těchto hodnot odchyluje, musí být řezná rychlost vypočítána pomocí korekčního faktoru. Řezné rychlosti uvedené v tabulkách doporučených hodnot, jsou kalkulovány na trvanlivost břitu cca 15 minut. Je-li požadována jiná trvanlivost, existují pro tento účel rovněž korekční faktory. 2.8 Upínací systém držáku Modulární nástrojový systém [4] Za účelem snížení času na upnutí a nastavení polohy nástroje se u moderních obráběcích strojů zavádí modulární nástrojový systém. U modulárních nástrojů je nosičem břitu malá samostatná část nástroje tzv. nástrojová hlavice. Nástrojová hlavice je spojena s nástrojovým držákem spojkou. To znamená, že nástrojovou hlavici lze použít pro každý stroj, který je vybaven základním nástrojovým držákem vhodné velikosti. Spojka musí být přesná, stabilní a musí zajistit rychlou výměnu nástrojů. Výhody modulárních systémů použitých na soustruzích vystoupí do popředí jasněji, čím častěji musí být výměny nástrojů prováděny. Přechod na modulární nástroje vyžaduje mírné zvýšení investic, které se za relativně krátkou dobu uživateli zaplatí. Všechny rychlovýměnné nástrojové systémy jsou založeny na modulárním principu, ne však všechny modulární systémy jsou rychlovýměnné. Moderní soustružnická centra nejsou v současné době již myslitelná bez modulárních nástrojů. Nástroje použité na těchto strojích musí plnit různé úkoly obrábění, jako například soustružení, vyvrtávání, frézování, vrtání atd. Moderní modulární nástrojové systémy by měly mít následující přednosti: stabilitu, pevnost v ohybu, možnost rychlé výměny nástrojů a přesnost v obrábění. Měly by také obsahovat široký sortiment druhu nástrojů a příslušenství. Nejvhodnějším řešením je vhodná kombinace modulárních a jednodílných nedělených nástrojů.
3 Vlastní konstrukce Ve vlastní konstrukci se zaměřuji především na vymodelování lůžka v SW Catia V5, protože je to nejdůležitější část držáku. Můj postup je takový, že si vymodeluji v Catia V5 VBD. Okolo VBD vytvořím obálku, která bude obsahovat různé výstupky - pomocí booleanovských funkcí ji obtisknu do držáku obálka s těmito výstupky mi po obtisknutí vytvoří plnohodnotné lůžko i se všemi odlehčeními destičky. Další krok, který provedu je kontrola ve formě napěťové analýzy metodou konečných prvků. Postup konstrukce: 1. Vymodelování vybrané VBD 2. Obtisknutí VBD do držáku pomocí obálky 3. Simulování napěťová analýza 4. Shrnutí výsledků obr.č.:12 Tato konstrukce probíhá ve spolupráci s firmou Hofmeister s.r.o. se kterými jsem v kontaktu. Získané výsledky budou plně využívány firmou a jsou zahrnuty do dlouhodobého záměru firmy. Na konkrétním zadání jsme se domluvili tak, že pro kosočtverečné destičky o úhlu 80 a utvařečem třísky 24 (CCMT xx xx xx 24) vymodeluji držáky (typ SLCL). Používám množné číslo, protože zde aplikuji obr.č.:13 [1] parametrizaci což znamená, že všechny rozměry destičky, držáku, podšroubku a podložné destičky provážu mezi sebou a poskládám je do tabulky což ve výsledku bude znamenat to, že bude stačit vybrat si v tabulce programu Catia V5 konkrétní typ této destičky a celá sestava se poskládá a rozměrově změní podle tohoto výběru. Takže ve výsledku je obr.č.:14 [1] možné získat mnoho rozměrově různých, ale typově stejných soustružnických nožů.
4 Závěr Komplexní programy jako Catia V5 posouvají produktivitu v konstrukci o několik řádu výše. Ve své konstrukci plně využiji jejich výhody ve formě parametrizace a simulování napětí, kdy odpadnou složité testy. Parametrizace mi umožní zkonstruovat mnoho variací soustružnického nože postaveného na jednom typovém modelu. To je i veliká výhoda pro studenty, kterým bude sloužit moje práce jako podklad pro vypracování semestrální práce z předmětu KCN na katedře KTO. Literatura: [1] Cutting Tools. 2006. TE0306-E3. 524 s. [2] Pramet - Příručka obrábění. 2004. 101 s. [3] ŘASA, Jaroslav, Výpočetní metody v kontrukci řezných nástrojů. 1. vyd. [s.l.] : SNTL, 1986. 464 s. [4] Sandvik - Příručka obrábění. 1. vyd., 1997. 908 s. ISBN 91-97 22 99-4-6. [5] ZETEK, Miroslav. Zvyšování produktivity obrábění.[2008]. 74 s. ZCU. Oborová práce.