THE POSSIBILITIES OF EDGE PREPARATION OF CUTTING TOOLS USING A LASER Ing. Adam Čermák Západočeská univerzita v Plzni Univerzitní 8, 306 14 Plzeň Česká republika ABSTRAKT Tento článek se zabývá využitím nekonvenční technologie - laserového paprsku pro úpravu břitu řezného nástroje. Jako laserový zdroj byl použit nízkonákladový pulzní pevnolátkový LASER (Nd:YAG) o vlnové délce λ=1064nm a nanosekundové délce pulzu. Tato laserová stanice se v praxi převážně používá k popisování a značení výrobků. Sekundární použití tohoto zařízení spočívá v gravírovacích aplikacích, kdy lze pomocí integrovaného 3D modulu obrábět různé tvarové prvky do velkého spektra materiálů. Hlavním přínosem na tomto zařízení bylo vytvoření metodiky laserového obrábění makrogeometrických prvků na vyměnitelných břitových destičkách (VBD), jak ze supertvrdých řezných materiálů, které nejsou snadno obrobitelné žádnou konvenční technologií třískového obrábění, tak i VBD ze slinutého karbidu. V následujícím textu je vysvětlena a charakterizována metodika polohování geometrických entit, která je stěžejní pro výslednou podobu makrogeometrie břitu na řezném nástroji. V závěru článku je znázorněn cyklus navržené metodiky úpravy břitu nástroje, který objasňuje použití softwarových a kontrolních technologií. KLÍČOVÁ SLOVA řezný nástroj, břit, makrogeometrie, laserové mikroobrábění, Nd:YAG ÚVOD Neustále se zvyšující požadavky na řezné nástroje vznikají z dlouhodobých potřeb průmyslu. K těmto požadavkům patří zvyšování trvanlivosti nástrojů, minimalizace konečného počtu výrobních operací na obrobek a používání nových řezných strategií, které vedou ke zvýšení produktivity obrábění a zlepšení výsledné kvality povrchu obrobků. V případě zvýšení trvanlivosti nástroje lze v některých případech sáhnout po progresivnějších řezných materiálech (řezná keramika (ŘK), kubický nitrid boru (CBN), polykrystalický diamant (PKD) aj.), které umožní několikanásobně zvýšit trvanlivost nástroje v řezném procesu [3]. Pouhým smysluplným výběrem super-tvrdého řezného materiálu pro konkrétní případ se však nezajistí zmíněné zvýšené trvanlivosti nástroje, protože břity takových řezných nástrojů nejsou obvykle opatřeny makrogeometrickými prvky, mezi které lze zařadit např. utvařeče třísek, nebo prvky mikrogeometrickými, jako jsou např. poloměry zaoblení ostří [2]. Aby bylo možné břity ze supertvrdých řezných materiálů takovými prvky vybavit, přichází na řadu využití technologie - mikroobrobení makrogeometrických a mikrogeometrických prvků za využití LASERu. Tímto způsobem lze dosáhnout atypické úpravy břitu, které jsou zakázkového charakteru. Mikroobrábění LASERem je pro tyto atypické úpravy břitu vhodné, jak z materiálového hlediska, kde lze obrábět širokou škálu řezných materiálů (především s vysokou tvrdostí), tak z tvarového hlediska, protože lze pomocí integrovaných softwarů mikroobrábět libovolné 3D objekty vymodelované v CAD (Computer Aided Design) softwarech. Obrázek 1 Úprava VBD z PKD [1] Na obr. 1 je ukázána nestandardní úprava PKD, která byla provedena na stroji LaserTec od fy DMG. Tento stroj několikanásobně převyšuje pořizovací náklady, než jaké byly u laserové stanice, která byla použita v tomto experimentu. Smyslem tohoto článku tedy bylo nalezení míry využitelnosti nízkonákladového popisovacího laseru oproti moderním obráběcím centrům určené výhradně pro mikroobráběcí aplikace.
METODIKA POLOHOVÁNÍ GEOMETRICKÝCH ENTIT Umístění detailů neboli geometrických entit na břitech nástrojů je charakterizováno vysokou přesností. Naopak na popisování a značení výrobků není kladen tak vysoký požadavek na výsledné polohování. Z tohoto důvodu se do pracovních prostorů popisovacích laserů neinstalují taková zařízení, jako jsou CCD kamery s telecentrickým optickým měřením, které by umožnily zaměřit např. ostří na VBD s následnou automatickou korekcí. Výsledkem této funkcionality by bylo ztotožnění umístění virtuálního 3D modelu k mikroobrábění s reálným obrobkem v pracovním prostoru laseru [2]. Charakteristika laserového zařízení Pro tento experiment byla použita laserová pracovní stanice, která je primárně využívána k průmyslovému značení obrobků a je vybavena vláknovým laserem dopovaným Ytterbiem (Nd:YAG), který má pulzní operační režim pomocí Q-spínání. Ostatní technické údaje jsou následující: P = 20W λ = 1064nm f = 20-100kHz délka pulzu - 100ns průměr stopy v ohnisku - 34µm hloubka ostrosti 2,37 mm Polohovací přípravek Pro tento účel byl navržen polohovací přípravek na VBD, který je vytvořen z obyčejné konstrukční oceli. Jedná se o destičku o plošných rozměrech 100x100 a tloušťce 5, která je na obou plochách broušena na R a =0,8µm. Na přípravku je důležité dodržení rovnoběžnosti ploch, protože se na přípravek bude umisťovat VBD. Záměr použití přípravku je v tom, že v pracovním prostoru laserového zařízení se vytvoří dorazy, které zajistí polohovacímu přípravku opakovatelnou polohu vložení. Dorazy mohou být vytvořeny libovolným příslušenstvím (prizmaty, úhelníky, apod.). Tento návrh přípravku vychází z pevné polohové vazby CAD softwaru a 3D modulu laserové stanice. Pro polohování fyzické VBD se této vlastnosti plně využije. Pomocí CAD softwaru se vymodeluje 3D virtuální model VBD zároveň s pomocnými prvky, které si při exportu do 3D modulu laserové stanice zachovají svou prostorovou polohu. Mezi tyto pomocné prvky spadá lůžko s odlehčením, které se následně pomocí LASERu obrobí do polohovacího přípravku. Do obrobeného lůžka v přípravku se již vloží fyzická VBD, což umožní a zabezpečí přesné polohování v reálném pracovním prostoru laserového zařízení bez využití dalších nákladných přídavných zařízení [2]. Virtuální model VBD s pomocnými prvky Polohování geometrických entit začíná u konkrétní fyzické VBD, kterou chce obsluha cíleně pravit. Kvůli přesnému uložení fyzické VBD v lůžku je důležité vytvořit přesný virtuální model VBD, přičemž musí být příslušná fyzická VBD nejprve odměřena. Z měření např. na souřadnicovém přístroji se získají roviny reprezentující spodní plochu VBD, čelní plochu VBD, její hřbetní plochy a další geometrické entity jako např. průsečnice různých dalších rovin. Tyto údaje se importují do CAD softwaru v příslušném formátu, kde se ze získaných dat vytvoří přesný virtuální model VBD. Po vytvoření přesného virtuálního modelu VBD se přistoupí k modelování odlehčení lůžka a dalších geometrických tvarů na virtuální VBD - viz obr. 2. Obrázek 2 Virtuální 3D model VBD s pomocnými a tvarovými prvky [2]
PROTOTYPOVÁ ÚPRAVA MAKROGEOMETRIE BŘITU NA VBD Postup zhotovení lůžka v polohovacím přípravku zobrazuje obr. 3, kde je zleva doprava ukázán postup od tvorby virtuálního modelu lůžka v CAD softwaru po mikroobrobení lůžka pomocí LASERu. Po obrobení tvaru fyzického lůžka musí být zaručeno přesné slícování s fyzickou VBD. Obrázek 3 Průběh tvorby fyzického lůžka v polohovacím přípravku [2] Po přesném vložení polohovacího přípravku s fyzickou VBD do pracovního prostoru LASERu pomocí nastavených dorazů a zvolení vhodných procesních parametrů laserového procesu (frekvenci pulzu f p, rychlost paprsku v f, parametr Slice a výkon paprsku P) se může přistoupit ke konkrétnímu mikroobrábění - úpravě makrogeometrie břitu na fyzické VBD. Pro úspěšný výsledek mikroobrábění je nutné správné nastavení ohniskové vzdálenosti, které rovněž výrazně ovlivňuje interakci mikroobráběného materiálu a laserového paprsku. Jelikož je tato metoda polohování závislá na lidském faktoru, je nutné využít tzv. pomocnou geometrii. Může se jednat o takovou geometrii, která např. kopíruje ostří VBD. Tato pomocná geometrie se mikroobrobí na čele fyzické VBD (pouze jednou vrstvou), a pak se pomocí mikroskopu vyhodnotí odchylka od nadefinované polohy v CAD softwaru. V případě vzniku nepřesnosti lze odchylku polohově korigovat ve 3D modulu. Dalším krokem již finálním je provedení úpravy fyzické VBD. V samotném experimentu šlo o prototypovou úpravu břitu VBD ze slinutého karbidu, ve které byly specifikovány tyto prvky - znázorněné na obr. 4: fasetka na čele VBD s negativním úhlem, fasetka na hřbetu VBD s nulovým úhlem a definovaná poloha vrubu na hlavním ostří VBD. Z důvodu prototypové úpravy břitu nefiguruje v tomto experimentu kontrola pomocí diferenční analýzy (zpětná kontrola dosaženého tvaru), protože bez výchozího tvaru - vzoru nešlo porovnat výslednou úpravu. Obrázek 4 Geometrické prvky pro úpravu břitu [2] Na následujícím obrázku obr. 5 je již vidět postup výroby makrogeometrie břitu na VBD ze slinutého karbidu, která dopadla dle předpokladů. Výsledná zhotovená makrogeometrie břitu je po tvarové stránce velmi dobrá, protože zde bylo docíleno požadovaných tvarových modifikací - viz. obr. 4. Co se týče jakosti obrobeného povrchu, tak nebylo dosaženo uspokojivých hodnot. Tento fakt je způsoben nanosekundovou délkou pulzu použitého laserového zdroje.
Obrázek 5 Postup vzniku makrogeometrie břitu na fyzické VBD [2] Cyklus úpravy makrogeometrie řezných nástrojů V případě tvorby již existující požadované makrogeometrie na jiném řezném nástroji lze uplatnit kontrolu tvaru pomocí diferenční analýzy, která umožňuje porovnat a vyhodnotit odchylky vytvořeného tvaru od referenčního. Tuto funkci lze provázat se zmíněním softwarovým vybavením (CAD software, 3D modul v LASERu) do tzv. cyklu procesů úpravy břitu. Smyslem použití níže zmíněného návrhu řešení viz. obr. 6 je docílení takového stavu, že při obdržení fyzické VBD s komplexním tvarem břitu (např. s lamačem třísek, definovanou polohou vrubu a fazet) je obsluha laserového zařízení schopna vytvořit repliku tohoto tvaru na jiné VBD, která může být vyrobena z jakéhokoliv řezného materiálu, především z kategorie supertvrdých (PKD, CBN), které nelze upravovat jiným způsobem, než nekonvenční technologií laserového mikroobrábění. Tvorba požadované repliky je znázorněna na obr. 6, který prezentuje uzavřený cyklus. Výstup tohoto cyklu by měl splňovat podmínku rovnosti v levé části obrázku (vstupní tvar = výstupní tvar). Zbylé části obrázku již znázorňují posloupnost jednotlivých kroků. Nejdříve je nutné získat kvalitní scan tvaru břitu z fyzického VBD pomocí jakéhokoliv 3D mikroskopu, např. IFM G4 od firmy ALICONA, který se musí exportovat do příslušného formátu (horní část obrázku). Tento scan se importuje do CAD softwaru (např. CATIA V5), kde se následně slícuje s přesným virtuálním modelem VBD. V této fázi se zrekonstruuje část objemu virtuální VBD (pravá část obrázku), který bude sloužit pro 3D modul (např. SCAPS) v LASERu jako negativ tvaru pro obrobení fyzické VBD. Tento tvar se již importuje do 3D modulu (např. SCAPS) a provede se konečná fáze úpravy břitu pomocí LASERu (spodní část obrázku). Po zhotovení je nutné zkontrolovat výsledný tvar a polohu úpravy na fyzické VBD. Tato kontrola proběhne pomocí diferenční analýzy, např. na přístroji IFM G4 od firmy ALICONA (levá část obrázku). Jestliže se výsledky rovnají, tak byla replika úspěšně vyrobena. Obrázek 6 Cyklus navržené metodiky úpravy břitu řezného nástroje [2] ZÁVĚR U tohoto principu je nutné zmínit vysokou časovou náročnost polohování. Přípravné práce (proměření fyzické VBD, následná tvorba pomocných a hlavních prvků v CAD softwaru, nastavení dorazů v pracovním prostoru laserového zařízení, obrobení lůžka do polohovacího přípravku, obrobení pomocné geometrie s následným proměřením
a vyhodnocením případné korekce) jsou časově velmi zdlouhavé. Další nevýhodou je jednorázové použití přesného lůžka pro VBD. Aplikace individuálně vytvořeného lůžka v přípravku ke konkrétní fyzické VBD by byla již pro jinou velikostně a tvarově stejnou fyzickou VBD nepřesná, protože každá taková fyzická VBD je jinak rozměrově a tvarově přesná. Tzn., že pro každou fyzickou VBD, u které by obsluha chtěla modifikovat řezný břit, by musela provést výše uvedené úkony. Vzhledem k těmto dvěma faktorům (čas, jednorázové použití) není tento postup polohování vhodný pro sériový charakter úpravy vyměnitelných břitových destiček, ale pouze pro určité případy (prototyp nového tvaru, úprava VBD z PKD apod.). Závěrem je nutné dodat porovnání oproti moderním laserovým mikroobráběcím centrům. Přesnost umístění geometrických entit na této laserové stanici s ostatními moderními laserovými centry je poměrně srovnatelné, avšak časová náročnost polohování je nepřiměřeně větší. Mezi další nevýhody zatím patří nemožnost opakování úprav na více kusů VBD. Zato výhodou jsou nižší pořizovací náklady této laserové stanice oproti moderním laserovacím mikroobráběcím centrům, což umožní snížit výrobní náklady prototypových úprav VBD. LITERATURA [1] LASERTEC Precision Tool - Series. [online]. DMG Europe Holding GmbH, 2011. [cit. 2014-4-4] Dostupné z WWW: http://en.dmgmoriseiki.com/pq/lasertec-40-precisiontool_en/pl0uk12_lasertec_precisiontool_series.pdf [2] ČERMÁK, Adam. Možnosti úpravy břitu řezného nástroje pomocí LASERU. Plzeň, 2013. Diplomová práce (Ing.). ZČU V PLZNI. Fakulta strojní [3] DAHOTRE, HARIMKAR. Laser Fabrication and Machining of Materials [online]. The University of Tennessee, Knoxville: Springer, 2008 [cit. 2014-3-10]. Dostupné z WWW: <http://books.google.cz/books?id=hemwjetwug4c&printsec=frontcover&dq=laser+fabrication+and+machining +of+materials&hl=cs&sa=x&ei=4ucpuag4h8tgtqb0sigiag&ved=0cdgq6aewaa#v=onepage&q=laser%20 Fabrication%20and%20Machining%20of%20Materials&f=false>