JAKAPE s.r.o. Zábrdovická 15/16 615 00 Brno Česká Republika Projekt: LF12011 DISCMETER E!6738 EUREKA CZ Vývoj robotického zařízení pro renovaci jeřábových pojezdových kol Studie obrábění pojezdových jeřábových kol Autor: Ing. Petr Hajtmar, CSc. JAKAPE Spoluautor: Ing. Josef Sedlák, Ph.D., Ing. Oskar Zemčík, Ph.D. VUT Brno Datum: říjen 2012 POČET STRAN: 28 Dokument podléhá obchodnímu tajemství (podle 17-20 obchodního zákoníku) a nesmí být poskytnut třetím osobám nebo jinou formou zveřejněn.
Všeobecné informace Pojezdová jeřábová kola se obvykle vyrábí v kovaném provedení. Jsou přizpůsobena na všechny běţné typy kolejnic a odolávají dobře namáhání, které vyvolává pojezd jeřábu. Na základě jejich speciálního určení pro nejtěţší podmínky provozu, jsou tato kola dodávána v různém provedení a kvalitě: jakost materiálu dle DIN 1.7225 o tvrdosti do 500 HB, jakost materiálu dle DIN 1.1231 o tvrdosti od 600 do 700 HB, rozměry dle normy DIN, nebo dle výkresu investora od průměru 250 a nad 1000 mm, provedení s jedním nebo s dvěma nákolky, provedení s opracovaným nebo neopracovaným otvorem, s klínovou nebo bez klínové dráţky, na přání investora dodáváme i kola bez nákolků. Výroba: Kování polotovaru se provádí v uzavřené zápustce při tlaku aţ 10.000 tun. Tento způsob výroby zajišťuje vysokou kvalitu, dobrou strukturu materiálu, jakoţ i vysokou pevnost při zachování stejnoměrného sloţení struktury i po ojetí pojezdových ploch. Tepelné zpracování: Rozdílná technika kalení povrchových ploch zaručuje pojezdové a vnitřní ploše nákolku poţadovanou tvrdost. Různé postupy tepelného zpracování zajišťují kovaným jeřábovým kolům poţadované metalurgické a mechanické vlastnosti. Kvalita: Při výrobě jeřábových kol se provádějí průběţné kvalitativní zkoušky materiálu nedestruktivními metodami pomocí ultrazvuku, nebo magnetoskopie. Hloubka prokalení je v rozsahu 6-30 mm, v normálním případě 15-16 mm. Pouţité materiály mají po kování tvrdost mezi 250 aţ 300 HB. Opotřebení jeřábových kol: sjetí vnějšího průměru (aţ 10 mm), kontaktní únavové porušení pojezdové plochy kola, trhlinky na vnitřní ploše nákolku, stranové otlačení nákolků (o více jak 0,2 mm). 2
Používané materiály: Ocel 15 142 Ocel Cr-Mo k zušlechťování a k povrchovému kalení, pro velké výkovky. Ocel je dobře tvařitelná za tepla, ve stavu ţíhaném na měkko dobře obrobitelná. Je vhodná pro povrchové kalení. Tvrdost povrchově kalené vrstvy závisí na způsobu kalení, rozměru a geometrickém tvaru součásti a je cca 54-60 HRC. Uţívá se na velmi namáhané součásti strojní a součásti silničních motorových vozidel (hřídele a spojovací součásti). V zušlechtěném stavu na odlitky k přímému pouţití, jako ocel odolná proti abrazi, namáhané středními rázy dynamických sil. Např. bagrové zuby, pluhová ostří v zemědělství apod. Svařitelnost dobrá - předehřev na 350 C. Po svaření se doporučuje normalizačně vyţíhat na 680 720 C. Na funkčně exponovaných místech se svařování nedoporučuje. Přehled vlastností oceli 42CrMo4 (42CrMoS4) 1.7225 (1.7227) Druh oceli Nízkolegovaná ušlechtilá chrom - molybdenová ocel k zušlechťování Technické dodací předpisy ČSN EN 10083-3: 2007 Dřívější označení 42CrMo4 ( 42CrMoS4) podle ČSN EN 10083-1: 1991+A1: 1996; 42CrMo4 (42CrMoS4) podle DIN 17200, 15 142 podle ČSN Ocel s vyšší prokalitelností pro výše namáhané strojní díly. Po zakalení dosahuje tvrdosti přibliţně 58 HRC. Do průměru 100 mm lze po zušlechtění docílit pevností nad 1000 MPa při ještě dostatečné houţevnatosti. Není Použití náchylná k popouštěcí křehkosti. Kalí se do méně razantního kalicího prostředí, poněvadţ je náchylná ke vzniku kalicích trhlin v místech s vrubovým účinkem nebo povrchových vad. V kaleném stavu dobře odolává opotřebení. Patří k nejčastěji pouţívané oceli k zušlechťování. Si Chemické složení C Mn P max. S max. 1) Cr Mo Ni V max. v hmot. % 0,38 max. 0,60 max. max. 0,90 0,15 (rozbor tavby) - - 0,45 0,40 0,90 0,025 0,035 1,20 0,30 Složení hotového 0,36 max. 0,56 max. max. 0,85 0,12 výrobku 2) 0,47 0,43 0,94 0,030 0,040 1,25 0,33 - - R e min. MPa R m MPa Mechanické d 16 900 1100-1300 10 40 - vlastnosti 16<d 40 Průměr 750 1000-1200 A min. 11 % Z min. 45 % KV 35 min. J v zušlechtěném 40<d 100 mm 650 900-1100 12 50 35 stavu 3) 100<d 160 550 800-950 13 50 35 Maximální hodnoty tvrdosti pro stav : Prokalitelnost 4) 160<d 250 500 750 900 14 55 35 Zpracováno na střihatelnost Ţíháno na měkko Povrchově kaleno (tvrdost povrchu) HB max. 255 HB max. 241 HRC min. 53 Vzdálenost od plochy kaleného čela zkušebního tělesa v mm Tvrdost v HRC 5) Mez 1,5 3 5 7 9 11 13 15 20 25 30 35 40 45 50 max. 61 61 60 60 +H 58 56 53 51 48 47 min. 61 53 52 51 49 40 37 34 32 31 30 30 max. 53 61 61 60 60 59 46 +HH 58 56 53 51 48 47 61 56 55 54 52 43 44 41 39 38 36 36 29 min. 56 58 58 57 56 59 53 51 49 46 44 42 46 +HL max. 58 53 52 51 49 48 37 34 32 31 30 4 35 min. 54 0 40 43 29 53 3
Tváření za tepla Tepelné zpracování Obrobitelnost Střihatelnost Technologické vlastnosti Doporučené rozmezí teplot pro tváření za tepla: 1100 aţ 850 o C Normalizační ţíhání o C Ţíhání na měkko o C Isotermické ţíhání o C Teplota kalení o C Kalicí prostředí Teplota po popuštění o C Zkouška kalením čela o C 800 aţ 900 850 aţ 880 680 aţ 880 820 aţ 860 olej nebo voda 540 aţ 680 850 ± 5 670-3 hod. Uvedené podmínky jsou doporučené s výjimkou zkoušky kalením čela (zkouška prokal.) Jako kalicí prostředí se s ohledem na náchylnost ke kalicím trhlinám doporučují syntetické polymery a olej. K docílení rovnoměrných hodnot po zušlechtění u větších průměrů (zejména kovaných) přispívá normalizační ţíhání před zušlechtěním. Body přeměny : Ac 1 = 745 o C, Ac 3 = 790 o C, Ms = 300 o C Obrábí se ve stavu ţíhaném na měkko. Při niţších pevnostech lze obrábět i ve stavu zušlechtěném. Zlepšenou obrobitelnost vykazuje ocel 42CrMoS4 se zvýšeným obsahem S. Díly, které se zušlechťují na vyšší pevnost se nejprve předhrubují ve stavu ţíhaném a dokončí po zušlechtění. Pro docílení tvrdosti vhodné pro stříhání se ocel ţíhá nebo řízeně vychlazuje. 1) obsah síry u oceli 42CrMoS4 je 0,020 aţ 0,040 % s dovolenou odchylkou v hotovém výrobku ± 0,005 %. 2) u jedné tavby smí být překročena horní nebo spodní hranice rozmezí, ale nikoliv obě současně. 3) uvedené hodnoty musí být dosaţitelné po odpovídajícím tepelném zpracování (zušlechtění) téţ u oceli dodávané ve stavu po válcování nebo ve stavu měkce ţíhaném. Prokazují se na referenčním vzorku odpovídajícího průměru. Zkušební tělesa pro stanovení mechanických hodnot musí být odebrána v souladu s předpisem normy TDP. R e mez kluzu, R m pevnost v tahu, A taţnost ( počáteční délka L o = 5,65 S o ), Z kontrakce, KV nárazová práce, zkušební těleso ISO s V-vrubem (průměr ze tří naměřených hodnot, z nichţ ţádná nesmí být menší neţ 70% minimální střední hodnoty). 4) pro ocel objednanou bez poţadavků na prokalitelnost jsou hodnoty prokalitelnosti pouze informativní. 5) +H normální hodnoty pro celý pás prokalitelnosti, +HH - zúţený pás prokalitelnosti směrem k horní hranici, +HL zúţený pás prokalitelnosti směrem ke spodní hranici. Ocel 12 071 Ocel pro pruţiny. Ocel je vhodná pro patentované dráty, pro pruţiny z patentovaných drátů a pásů, válcovaných za studena. Ve stavu.30 je dobrá kalitelnost, dobrá ohýbatelnost, částečná lisovatelnost tvarové pruţiny. Ve stavu.31 na tvarové pruţiny. Ve stavu.40 na ploché, značně pruţící pruţiny. Ve stavu.60 pro řetězy motocyklů, dobrá ohýbatelnost na tvarové a dveřní pruţiny. Ve stavu.70 na tvarové pruţiny a na pruţiny rolet. Ve stavu.80 je mírná ohýbatelnost. normalizační ţíhání 800 aţ 830 C, ţíhání na měkko 650 aţ 700 C, kalení do oleje 800 aţ 830 C, popouštění 400 aţ 450 C. 4
Přehled vlastností oceli 1.1231 Druh oceli Uhlíková ocel na pruţiny Technické dodací předpisy EN 10134-4: 2000 Dřívější označení 1 CS67 podle EN 132-79, Ck 67 a C 67 podle DIN 17222-79, 12 071 podle ČSN 41 2071 Použití Vhodná k výrobě pruţin a řetězů, ve stavu ţíhaném dobrá kalitelnost, ale omezená svařitelnost za studena Chemické složení C Mn Si P S v [hmot. %] (rozbor tavby) 0,60 0,70 0,60 0,80 Max. 0,35 Max. 0,035 Max. 0,035 Polotovar 1 [4] Rozměr t, d [mm] - Stav 2 ).30.31.40.60.70.80 Mez kluzu R e nebo R p 0,2 [MPa] - Mez pevnosti R m [MPa] 540 690 570 740 1860 2060 1370 1570 1570 1770 1770 1960 Taţnost A 10 [%] min Mechanické 17 13 2 4 3 2 vlastnosti Koncentrace Z [%] - Vrubová houţevnatost KCU 2 [J.cm -2 ] - Tvrdost HB 155 197 163 211 - Tvrdost HV 159 200 166 213 578 640 434 492 492 548 548 606 Tvrdost HRB 82 93 84,5 96 - Tvrdost HRC - 52 56 43 48 48 51 51-54 Fyzikální vlastnosti Technologické údaje Technologické zkoušky Použití Ostatní vlastnosti Hustota [kg.m -3 ] Měrná tepelná kapacita c p [J.kg -1.K -1 ] 1 Polotovary: [1] tyče válcované za tepla [2] dráty válcované za tepla [3] dráty taţené za studena [4] pásy a pruhy válcované za studena 2. x 0 - dále nepřeválcováno 2. x 1 - lehce převálcováno Teplotní součinitel roztaţnosti [K -1 ] Tepelná vodivost λ t [W.m -1.K -1 ] Konduktivita λ e [MS.m -1 ] 7850 - - - - Tepelné zpracování Normalizační ţíhání 800 830 ºC Ochlazovat na vzduchu Ţíhání na měkko 650 700 ºC Min 2 h na teplotě, ochlazovat v peci Kalení 800 830 ºC Ochlazovat v oleji Popouštění Podle ţádaných mechanických vlastností Teploty přeměn A c1 ~ 730 ºC A c3 ~ 750 ºC A r3 ~ 730 ºC A r1 ~ 695 ºC Zkouška lámavosti podle ČSN 42 0401 Polotovar [4] Stav.30 Úhel ohybu = 180º Průměr trnu D = 4a Pro patentované dráty, pro pruţiny z patentovaných drátů a pásů, válcovaných za studena. Ve stavu.30 tvarové pruţiny (dobrá kalitelnost, ohýbatelnost, částečná lisovatelnost),.31 tvarové pruţiny,.40 ploché, značně pruţicí pruţiny,.60 řetězy motocyklů, dobře ohýbatelná na tvarové a dveřní pruţiny,.80 pruţiny (mírná ohýbatelnost). Druh oceli podle způsobu výroby Barevné značení podle ČSN 42 0010 Třída odpadu podle ČSN 42 0030 Martinská nebo kyslíková konvertorová nebo elektroocel Zelená modrá oranţová 002 5
Aplikované technologie: Kalení a popouštění Účelem kalení je zvýšit tvrdost oceli. Je to ohřev součásti na teplotu nad A c3 popř. A c1, výdrţ na této teplotě a ochlazování kritickou rychlostí, čímţ se potlačí vznik feritu a perlitu a zachovaný nestabilní austenit při teplotách pod 500 C se přemění na bainit nebo martenzit. Z toho plyne, ţe kalící teplota musí leţet nad překrystalizačními teplotami oceli, aby struktura před kalením byla u podeutektoidních ocelí homogenním austenitem a u ocelí nadeutektoidních směsí austenitu a cementitu. Správné kalící teploty se volí 30 aţ 50 C nad A c3 u ocelí podeutektoidních nebo nad A c1 u nadeutektoidních. U ocelí nadeutektoidních se nevolí teploty kalení nad A cm z toho důvodu, ţe zbylý cementit po ohřevu jen nad A c1 je tvrdou sloţkou, a tedy přispívá k tvrdosti oceli po kalení. Naopak kalení z teplot nad A cm, stoupne mnoţství zbytkového austenitu, coţ vede ke vzniku struktur o menší tvrdosti. Oblasti vhodných kalících teplot v diagramu Fe - Fe3C. Protoţe pro kalení je charakteristickým rysem vznik martenzitu nebo bainitu, musí být rychlost ochlazování větší neţ kritická rychlost ochlazování. Kalitelnost Je to schopnost oceli dosáhnout kalením zvýšení tvrdosti. Přitom nejvyšší dosaţitelná tvrdost oceli po kalení je závislá především na obsahu uhlíku. Při nízkém obsahu uhlíku se nedosáhne vysoké tvrdosti. Proto se povaţují teprve uhlíkové oceli obsahující více neţ 0,35 % uhlíku za dobře kalitelné a méně neţ 0,2% C za nekalitelné. U slitinových ocelí je hranice obsahu uhlíku posunuta k niţším hodnotám. Tvrdost martenzitu jiţ mnoho nestoupá, zvyšuje-li se obsah uhlíku nad eutektoidní obsah. Nejvyšší tvrdost martenzitu bývá HV = 950 nebo HRC = 66. Ostatní prvky mají na tvrdost po kalení jen nepatrný vliv. Prokalitelnost Je schopnost dosáhnout po kalení v určité hloubce pod povrchem tvrdosti odpovídající kalitelnosti dané oceli při 50 % martenzitu ve struktuře. Prokalitelnost bude v první řadě závislá na tvaru diagramu ARA, čímţ bude inkubační doba delší tj. křivky Ps a Bs více vpravo, tím větší hloubky zakalené vrstvy se dosáhne při stejné rychlosti ochlazování. Je to proto, ţe rychlost ochlazování předmětu na jeho povrchu je dána kalícím prostředím, a to podle toho, jak rychle je schopno 6
odnímat teplo z povrchu oceli. Naproti tomu rychlosti ochlazování uvnitř průřezu v určitých vzdálenostech od povrchu jsou dány tepelnou vodivostí ocelí a samozřejmě teplotním rozdílem mezi daným místem a povrchem. Na tvar diagramu ARA mají velký vliv přísadové prvky a budou proto určovat prokalitelnost ocelí. Veškeré prvky, s výjimkou kobaltu, které se rozpouštějí v austenitu, zpomalují rozpad austenitu, prodluţují inkubační doby a posunují rozpadové křivky doprava k delším časům. Sniţují tedy kritickou rychlost ochlazování. Na prokalitelnost má ještě značný vliv velikost austenitického zrna. Čím bude zrno jemnější, tím bude vyšší kritická rychlost a naopak. Avšak druhého způsobu zvyšování prokalitelnosti nadměrným zvětšením zrna vede k výraznému zhoršení mechanických vlastností, zejména vrubové houţevnatosti. Protoţe jednotlivé tavby oceli stejné značky se od sebe poněkud liší chemickým sloţením, bylo by nutné zjišťovat křivku ARA pro kaţdou tavbu a kontrolovat, zda odpovídá normou předepsané prokalitelnosti. Stanovení křivek ARA je zdlouhavé a proto byla vypracována a normalizována čelní zkouška prokalitelnosti (ČSN 42 0447). Popouštění kalené oceli o jeho kombinace s kalením Ocel zakalená na martenzitickou strukturu má značné vnitřní pnutí a je kromě toho, ţe má velkou tvrdost, také značně křehká. Aby se sníţilo vnitřní pnutí a tím i křehkost (popř. k získání houţevnaté struktury), je vhodné ocel po kalení popouštět. Je to ohřev na určitou (popouštěcí) teplotu pod A c1. Martenzit (přesycený tuhý roztok uhlíku v ţeleze ) vzniklý po základním kalení má jehlicovitý tvar a říká se mu martenzit tetragonální. Při popouštění na teploty 80 aţ 180 C podle druhu oceli dojde uvnitř jehlic k vyloučení (precipitaci) uhlíku v podobě přechodných fází (karbidů). Toto stadium martenzitu je nazýváno kubickým martenzitem. Vyznačuje se mírným, někdy velmi nepatrným poklesem tvrdosti, ale výraznějším poklesem křehkosti. V rozmezí teplot 180 aţ 300 C se rozpadá zbytkový austenit na bainit. Současně v teplotním rozmezí 200 aţ 400 C dochází k úplnému rozpadu martenzitu na ferit a cementit ve velmi jemné formě. Přitom vyloučený cementit má tvar kuliček a zůstává ještě částečně zachována jehlicovitá struktura. Za teplot nad 400 C aţ do A 1 se postupně cementitové kulovité částice zvětšují a mizí jehlicovitý charakter struktury. Výsledkem je jemná struktura s kuličkovitým cementitem v základní feritické hmotě, která se nazývá slovem sorbit. Tato struktura se vyznačuje pevností a vysokou houţevnatostí. Zušlechťování Význam zušlechťování vyplývá z uvedeného diagramu, kdy výrazně se zvýší mez kluzu a hlavně vrubová houţevnatost u zušlechtěné oceli. Čím vyšší mez kluzu, tím lze součást zatíţit více bez nebezpečí deformace a čím vyšší vrubová houţevnatost, tím větší odolnost oceli proti křehkému porušení nenadálými rázy. Z uvedeného rozsahu popouštěcích teplot při zušlechťování jsou vyhrazeny teploty v rozmezí mezi 400 aţ 550 C podle druhu oceli pro zušlechťování pruţin, kdy se poţaduje hlavně vysoká mez pruţnosti. Při zušlechťování je jednou ze základních podmínek prokalení předmětu v celém průřezu (jinak dojde ke zhoršení mechanických vlastností v nedostatečně zakalené části průřezu). 7
Povrchové kalení Pro toto zpracování se hodí uhlíkové a některé slitinové oceli s obsahem uhlíku mezi 0,45 aţ 0,60%, které jsou kalitelné jiţ na značnou tvrdost. Mohou proto v řadě případů vyhovět poţadavkům na povrchovou tvrdost, jako např. u ozubených kol, čepů apod. Přitom oceli s tímto obsahem uhlíku se vyznačují ještě vyhovující houţevnatostí a pevností jádra zejména, je-li součást před povrchovým kalením buď normalizačně vyţíhána nebo lépe zušlechtěna. Jádro součásti, které není ovlivněno povrchovým kalením, si podrţí vlastnosti předchozího tepelného zpracování. Za určitých podmínek je moţno kalit také i oceli nástrojové, popř. odlitky ze šedé a tvárné litiny (např. vedení loţí obráběcích strojů). Při povrchovém kalení se ohřívají povrchové vrstvy na austenitizační teplotu velmi rychle, s velmi krátkou výdrţí na teplotě. Proto je teplota ohřevu značně vyšší neţ A 3 a to podle způsobu ohřevu aţ o 200 C i více. Po ohřevu následuje ihned prudké ochlazení, nejčastěji vodou. 8
Typy a charakteristika aplikovaných nástrojových materiálů Strojírenský průmysl na celém světě pouţívá při výrobě strojních součástí z rozdílných materiálů (kovových oceli, litiny, slitiny Al, slitiny Cu, Slitiny Ni, slitiny Ti a nekovových keramika, vláknově vyztuţené kompozity atd.) různé metody obrábění, z nichţ největší podíl zabírají soustruţení, vrtání a frézování. K odebírání třísky a tvorbě nových součástí poţadovaného tvaru, rozměrů a jakosti musí být k dispozici řezný nástroj, který má břit s odpovídající houţevnatostí a současně vysokou tvrdostí v oblasti ostří. Tvrdost nesmí poklesnout ani při zvýšených pracovních teplotách. Široký sortiment materiálů pro řezné nástroje, od nástrojových ocelí aţ po syntetický diamant, je příčinou celosvětového intenzivního výzkumu a vývoje v oblasti řezných materiálů a má úzkou souvislost s rozvojem konstrukčních materiálů určených pro obrábění. Současný hlavní problém není tedy hledání nových řezných materiálů, jelikoţ v blízké době nelze očekávat objevení zcela nového materiálu, ale optimální vyuţití jiţ známých materiálů s velmi přesným vymezením oblasti jejich vyuţití. Prakticky kaţdý nový druh nástrojového materiálu znamená posun pouţitelných řezných rychlostí k vyšším hodnotám.,,aplikační oblasti materiálů pro řezné nástroje jsou vymezeny jejich fyzikálními (měrná hmotnost, velikost zrna, součinitel tření), chemickými (inertnost, stálost), teplenými (teplota tání, pracovní teplota, tepelná vodivost, délková roztažnost) a mechanickými vlastnostmi (tvrdost, modul pružnosti, pevnost v tlaku, a ohybu, lomová houževnatost). Nástrojové materiály s vysokou tvrdostí jsou vhodné k pouţití při vyšších řezných rychlostech a malých průřezech třísky (dokončovací obrábění), kde převládá spíše tepelné zatíţení. Materiály s vyšší houţevnatostí lze pouţít při vyšších posuvových rychlostech (hrubovací obrábění), zde díky většímu průřezu třísky převládá zatíţení mechanické nad tepelným. Tvrdost nástrojových materiálů na teplotě. Vlastnosti materiálů pro řezné nástroje. 9
Vliv mechanických vlastností nástrojového materiálu na pracovní podmínky. Slinuté karbidy (SK) mají nejvyšší modul pruţnosti, lomovou houţevnatost a ohybovou pevnost Tab. 1. Díky těmto vlastnostem jsou SK vhodné pro pouţití při vysokých posuvových rychlostech a při těţkých přerušovaných řezech. Z důvodu jejich nízké termomechanické stabilitě není moţná aplikace při vyšších řezných rychlostech. Typické vlastnosti vybraných nástrojových materálů. Vlastnost Slinutý karbid Nástrojový materiál Cermet Al 2 O 3 +TiC Si 3 N 4 +přísady Měrná hmotnost [g.cm -3 ] 12,0 15,1 5,6 7,0 4,2 4,3 3,2 3,4 Pevnost v ohybu [MPa] 1000 2400 1150 1800 600 900 600 950 Tvrdost [HV] 1900 2000 1000 2400 1800 2000 [HRA] 90 92 91 93 93 95 86 95 Modul pružnosti v tahu [GPa] Souč. délkové roztažnosti [10-6.K -1 ] Měrná tepelná vodivost [W.m -1.K -1 ] Lomová houževnatost [MPa.m 1/2 ] 520 660 500 370 420 300 380 4,5 7,0 7,0 7,5 1,5 3,5 --- 80 30 20 25 30 50 10 17 10 4,2 6,5 5 7 10
Povlakované slinuté karbidy se skládají z pevného karbidového podkladu a z termochemicky stabilního tvrdého povlaku. Lze je tedy povaţovat za jednoduché kompozitní materiály. Výsledek tohoto sloţení dělá z povlakovaných SK nejvhodnější materiál pro vysoké řezné i posuvové rychlosti, přerušované řezy a velký úběr materiálu. Řezná keramika (ŘK) na bázi Al 2 O 3 (oxid hliníku korund) se vyuţívá při obrábění vysokými řeznými rychlostmi a nízkými posuvovými rychlostmi, protoţe má vysokou tvrdost za tepla a vysokou termochemickou stabilitu, ale nízkou houţevnatost. ŘK na bázi Si 3 N 4 (nitrid křemíku neoxidická keramika) má houţevnatost vyšší, a proto umoţňuje pouţití vyšších posuvových rychlostí neţ ŘK na bázi Al 2 O 3. Keramika je vhodná zejména pro obrábění šedých litin, naopak není příliš vhodná pro obrábění ocelí a tvárných litin, zde vykazuje rychlé opotřebení. Cermety se svým vyuţitím řadí mezi SK a ŘK. Tzn., ţe mohou být uţity pro vyšší posuvové rychlosti neţ keramika a pro vyšší řezné rychlosti neţ slinuté karbidy. Dobře se uplatňují při obrábění korozivzdorných ocelí. Syntetický diamant a kubický nitrid boru (KNB) mají obzvláště vysokou tvrdost a vynikající odolnost proti opotřebení. Vzhledem k ceně nástroje s těmito destičkami, omezeným moţnostem změny tvaru nástroje a někdy ochotné reakci s některými obráběnými materiály jsou jejich aplikace omezeny na speciální případy obrábění. Syntetický diamant je vhodný pro obrábění neţelezných slitin, nekovových materiálů a keramiky. KNB je vhodným nástrojovým materiálem pro obrábění superslitin, litin (tvrdost > 45 HRC), kalených ocelí a slinutých karbidů s vyšším obsahem kobaltu. Destičky ze syntetického diamantu. Destičky s povlakovaným KNB. Vývoj budoucnosti bude zaměřen zejména na moţnostech aplikace pro širší rozsah řezných podmínek. Dalšími poţadovanými faktory je zaručená trvanlivost a spolehlivost nástrojového materiálu bez jakékoliv poruchy. K velkému rozvoji dochází také u obráběných materiálů, proto musí být v souladu s těmito trendy vyvíjeny takové nástrojové materiály, se kterými lze tyto materiály efektivně a pohodlně obrábět. Z výše uvedeného je zřejmé, ţe neexistuje ţádná přírodní ani člověkem vyrobená látka, která by byla univerzální pro řezné nástroje za jakýchkoliv podmínek. Je tedy velmi důleţité znát podrobně fyzikální a mechanické vlastnosti kaţdého konkrétního nástrojového materiálu a v souladu s nimi stanovit oblast jejich vyuţití tak, aby výsledný obrobek byl obroben efektivně z hlediska času, produktivity a výrobních nákladů. 11
Třískového obrábění Soustružení Soustruţení je obráběcí metoda pouţívaná pro zhotovení součástí rotačních tvarů, většinou pomocí jednobřitých nástrojů různého provedení. Z mnoha hledisek představuje soustruţení nejjednodušší způsob obrábění a také nejuţívanější metodu obrábění ve strojírenské praxi. Na soustruzích lze: obrábět vnější válcové, kuţelové i tvarové plochy, obrábět vnitřní válcové, kuţelové i tvarové plochy, obrábět čelní rovinné plochy, vyrábět zápichy (vnější, vnitřní, čelní), upichovat, vrtat, vyvrtávat, vystruţovat, řezat závity, vroubkovat, válečkovat, hladit, leštit, podsoustruţovat hřbetní plochy tvarových fréz. Nástroje: Z technologického hlediska se rozlišují soustruţnické noţe radiální (nejčastěji uţívané), prizmatické, kotoučové a tangenciální. Radiální noţe lze dělit podle konstrukce, směru posuvového pohybu, způsobu obrábění, tvaru tělesa noţe a pouţitého nástrojového materiálu. V závislosti na konstrukci jsou radiální noţe: celistvé (těleso i řezná část noţe jsou z nástrojového materiálu, např. rychlořezné oceli), s pájenými břitovými destičkami (břitová destička z řezného materiálu je pájená tvrdou pájkou na těleso noţe z konstrukční oceli), s vyměnitelnými břitovými destičkami (do tělesa noţe, vyrobeného z konstrukční oceli, jsou mechanicky upínány VBD ze slinutých karbidů, cermetů, řezné keramiky, atd.), modulární (do základního drţáku lze pomocí různých upínacích systémů upevnit hlavice s vyměnitelnými břitovými destičkami). Radiální soustruţnické noţe s vyměnitelnými břitovými destičkami jsou označovány jednotným systémem ISO, který pouţívají všichni výrobci nástrojů a nástrojových materiálů: vnější noţe P C L N R - 32 25 L 12 - S, vnitřní noţe A 40 T - P C L N L 12 - X. Vyměnitelné břitové destičky radiálních noţů jsou vyráběny ze slinutých karbidů - SK, řezné keramiky, cermetů, polykrystalického kubického nitridu boru - PKNB a polykrystalického diamantu - PD. Čela destiček (jednostranné destičky mají jednu čelní plochu, oboustranné dvě) jsou buď hladká, nebo jsou na nich vytvořeny předlisované (případně u supertvrdých nástrojových materiálů vybroušené) utvařeče třísky. Téměř všechny v současné době pouţívané destičky jsou vícebřité a po otupení jednoho břitu se mohou pootočit do nové polohy, pro vyuţití dalšího břitu (např. čtvercová oboustranná destička má 8 vyuţitelných břitů). Výměna destiček je rychlá a snadná a polohu břitu obvykle není třeba seřizovat. Břitové destičky jsou uloţeny v noţovém drţáku tak, aby řezné odpory směřovaly do stěn pro ně vytvořených vybrání a nezatěţovaly upínací mechanizmus. 12
Podobně jako soustruţnické noţe, i vyměnitelné břitové destičky jsou označovány jednotným systémem ISO, který vyuţívají všichni výrobci. Označování vyměnitelných břitových destiček ze slinutých karbidů je následující: T N M G 22 04 08 E N - M Uvedené označování platí i pro vyměnitelné břitové destičky z cermetů. Keramické destičky mají jen velmi málo odlišný systém označování, destičky ze supertvrdých materiálů jsou většinou poměrně jednoduché a pro jejich označování jsou vyuţívány jednotlivé prvky z označování SK destiček. Podle směru posuvového pohybu se rozlišují radiální noţe: pravé (směr posuvu od koníku soustruhu k vřetenu), levé (směr posuvu od vřetena ke koníku). Podle způsobu obrábění existují radiální noţe pro: obrábění vnějších ploch, pro obrábění vnitřních ploch. V kaţdé z uvedených skupin se dále noţe mohou členit na uběrací, zapichovací, upichovací, kopírovací, závitové a tvarové. Podle tvaru tělesa noţe existují radiální noţe: přímé, ohnuté. 13
Frézování Operace frézování je nejrozšířenější a nejefektivnější metoda obrábění rovinných a tvarových ploch. Je to metoda, při níţ se materiál obrobku odebírá vícebřitým nástrojem frézou, který se otáčí kolem své osy a pohybuje v osách x, y a z kolem obrobku, v předem daném směru. Právě díky tomuto způsobu obrábění je frézování tak efektivní univerzální metodou obrábění. Hlavní pohyb koná nástroj a vedlejší obráběný materiál, který se pohybuje převáţně kolmo k ose nástroje. Řezný proces frézování je přerušovaný, kde kaţdý zub frézy odřezává krátké třísky různé tloušťky. První zmínka o pouţitelném frézovacím stroji frézce, je známá někdy z konce 19. století. U moderních frézovacích strojů lze posuvové pohyby plynule měnit a mohou být realizovány ve všech směrech (obráběcí centra, víceosé CNC frézky). Moderní frézování je velmi univerzální a všestrannou metodou obrábění. V několika uplynulých letech se frézování společně s vývojem obráběcích strojů vyvinulo do metod, které umoţňují obrábění ve velmi širokém rozmezí konfigurací. Výběr metod na dnešních víceosých strojích není jednoduchý kromě všech běţných aplikací lze frézováním obrábět i otvory, dutiny, povrchy, které byly dříve soustruţeny, závity atd. Vývoj nástrojů přispěl rovněţ k novým moţnostem zvýšení produktivity, spolehlivosti a konzistence kvality, coţ je umoţněno technologiemi vyuţívajícími vyměnitelné břitové destičky (VBD) a nástrojů z monolitních karbidů. Z technologického hlediska lze frézování rozdělit na dva základní druhy. Frézování válcové (frézování obvodem frézy) a frézování čelní (frézování čelem frézy). Válcové frézování,,válcové frézování se převážně uplatňuje při práci s válcovými a tvarovými frézami. Zuby nástroje jsou situovány pouze na obvodu frézy. Hloubka odebírané tloušťky H se nastavuje kolmo na osu nástroje a na směr posuvu. Obráběná plocha je rovnoběţná s osou otáčení frézy. Válcové frézování v závislosti na kinematice obráběcího procesu lze rozdělit na frézování nesousledné (proti směru otáčení nástroje) a na frézování sousledné (ve směru otáčení nástroje). Z těchto dvou základních způsobů frézování se odvíjejí některé další moţnosti způsobu frézování, jako např. frézování okruţní a frézování planetové. Nesousledné frézování Při tomto způsobu frézování je smysl pohybu (rotace) frézy proti pohybu (posuvu) obrobku. Obrobená plocha vzniká při vnikání do obráběného materiálu. Z nulové hodnoty se postupně tloušťka třísky mění na hodnotu maximální.,,k oddělování třísky nedochází v okamžiku její nulové tloušťky, ale po určitém skluzu břitu po ploše vytvořené předcházejícím zubem. Přitom vznikají silové účinky a deformace způsobující zvýšené opotřebení břitu. Řezná síla při protisměrném frézování má složku, která působí směrem nahoru a odtahuje obrobek od stolu. Hlavní výhody: trvanlivost nástroje nezávisí na okujích, písčitém povrchu obrobku apod., není zapotřebí vymezování vůle mezi posuvovým šroubem a maticí stolu stroje, menší opotřebení šroubu a matice, záběr zubů frézy při jejím vřezávání nezávisí na hloubce řezu. Sousledné frézování Při frézování sousledném je smysl pohybu (rotace) frézy ve směru pohybu (posuvu) obráběného materiálu. Při vnikání zubu frézy do obrobku vzniká maximální tloušťka třísky. Kdyţ zub vychází ze záběru, tímto vzniká obrobená plocha.,,řezné síly působí obvykle směrem dolů. Sousměrné frézování může probíhat pouze na přizpůsobeném stroji při vymezené vůli a předpětí mezi posuvovým šroubem a maticí stolu frézky. V opačném případě způsobuje vůle nestejnosměrný posuv, při němž může dojít k poškození nástroje, popř. i stroje. 14
Hlavní výhody: vyšší trvanlivost břitů, coţ při pouţití vyšších řezných rychlostí a posuvů, menší potřebný řezný výkon, řezná síla přitlačuje obrobek ke stolu, a proto lze pouţít jednodušších upínacích přípravků, menší sklon ke chvění, obvykle menší sklon ke tvorbě nárůstku, niţší drsnost obrobeného povrchu. Čelní frézování,,čelní frézování se uplatňuje při práci s čelními frézami, u kterých jsou břity vytvořeny na obvodu i čele nástroje a hloubka odebírané vrstvy se nastavuje ve směru osy nástroje. Čelní frézování je nejrozšířenější frézovací operace a lze ji provádět s vyuţitím velkého mnoţství různých nástrojů. Nejčastěji se pouţívají frézy s úhlem nastavení 45º, ale za určitých podmínek se také pouţívají frézy s kruhovými břitovými destičkami, frézy pro frézování do rohu nebo kotoučové frézy. Čelní frézování se dále dělí na symetrické čelní frézování a nesymetrické čelní frézování. Toto rozdělení závisí na poměru šířky frézované plochy B, průměru frézy D a také na poloze osy frézy vzhledem k frézované ploše. 15
Broušení Operace broušení je vyuţívána při zajišťování vysokých poţadavků na jakost výrobků, na jejich rozměrovou a tvarovou přesnost i drsnost povrchu. Při identifikaci procesu broušení je třeba zaměřit hlavní pozornost na hodnocení průběhu jeho stability a na situace, kdy tato stabilita je narušena. Tento postup se stává významným při broušení součástí jako jsou např. loţiska, vačkové hřídele a všechny součásti přesných rozměrů. Chyby, které nastávají při broušení se projeví na broušeném povrchu a to v jeho textuře a geometrickém tvaru, protoţe všechny tyto úchylky jsou ovlivněny celým systémem broušení, který probíhá za stabilních a nestabilních podmínek. Pro pochopení stavu tohoto procesu je nutné vyjít ze systémového přístupu, kterým je interakce konstrukce stroje, nástroje a obrobku. Volba brousicích kotoučů z hlediska kvality - obecné zásady broušení: 1. Pro větší úběr materiálu se volí hrubší zrnitost. 2. Pro tvrdší obrušovaný materiál se volí měkčí kotouč. 3. Pro broušení materiálů se sklonem k mazlavosti (měď, mosaz, hliník) se volí brousicí kotouč měkký a hrubý. 4. Čím větší je styčná plocha (stykový oblouk násobený šířkou kotouče) mezi brousicím kotoučem a obrobkem, tím hrubší se volí zrnitost a niţší tvrdost kotouče. 5. Pro materiály citlivé na změny teploty se volí měkčí kotouč. 6. Pro broušení přerušovaných ploch se volí kotouč tvrdší. 7. Při broušení obrobku čelem kotouče se obvykle volí měkčí kotouč, neţ pro broušení obvodem. Rámcová doporučení volby brousicích nástrojů: Jakost brousicích nástrojů je charakterizována: 1. druhem brousicího materiálu, 2. zrnitostí brousicího materiálu, 3. tvrdostí brousicího kotouče, 4. strukturou kotouče, 5. druhem pojiva. ad.1) Obecně lze charakterizovat pro broušení: oceli (AB99, AS99, AM90), legované oceli (A98, KNB), ocelolitiny (A96, AE97), a dále pro litiny, lehké kovy a slitiny, slinuté karbidy, sklo a keramiku, umělé hmoty, pryţe, kameny atd. ad.2) Zrnitost brousicího materiálu je přímo úměrná drsnosti (jakosti) broušeného povrchu. Čím hrubší zrno, tím horší R a. ad.3) Volba tvrdosti kotouče je závislá na tvrdosti broušeného materiálu. Čím tvrdší materiál, tím měkčí se volí brousicí kotouč. ad.4) Struktura se volí otevřenější (11 13) v případě, ţe běţný brousicí kotouč není schopen vyšších úběrů a pálí. Dociluje se uměle přísadou pórovitých komponentů. ad.5) Nejuniverzálnější je pojivo keramické (V). Pojivo pryskyřičné (B) se pro svou vysokou mechanickou pevnost pouţívá pro výrobu kotoučů rychloběţných, hrubovacích, řezacích a 16
dráţkovacích. Pro speciální vlastnosti je pojivo pryţové (R) vyuţito na výrobu kotoučů lešticích, podávacích i brousicích, magnezitové pojivo (Mg) se vyznačuje studeným výbrusem. Řezné a chladicí kapaliny: Řezné a chladicí kapaliny jsou prostředky, které se pouţívají při obrábění kovů. Vytváření prostředí, ve kterém probíhá řezný proces, na nějţ působí svým chladicím, řezným (mazacím) a čistícím účinkem. Řezná a chladicí kapalina odvádí teplo v řezné oblasti, sniţuje třecí odpory a mezi nástrojem a obrobkem uvolňují a odvádí třísky a nečistoty. Hlavním účelem pouţití řezných a chladicích kapalin je: a) zvýšení trvanlivosti ostří nástroje, b) zlepšení jakosti obráběného povrchu, c) sníţení spotřeby energie. Rozdělení řezných a chladicích kapalin: 1. vodní roztoky, 2. ropné výrobky pouţívané pro řezné kapaliny podle ČSN 65 6801: a) vodné emulze emulgační olejů a maziv, b) minerální oleje, c) řezné oleje maštěné, d) řezné oleje s chemickými přísadami, 3. koncentráty účinných vysokotlakých přísad podle ČSN 65 6801, 4. mastné látky ţivočišného nebo rostlinného původu, 5. syntetické kapaliny. Seznam jednotlivých chemických prvků a kapalin všech skupin je uveden např. v příloze normy ČSN 22 0131. 17
Mírou velikosti hlavního řezného pohybu při broušení je řezná rychlost, která se značí v c. Obrobek koná vedlejší řezný pohyb posuv. Mírou velikosti posuvu je rychlost posuvu v f, která se udává v [m.s -1 ], nebo v [m.min -1 ] a také v [mm.ot -1 ] obrobku. Pohyby a souřadnicové soustavy rovin pro obvodové broušení do kulata axiální. d s průměr brousicího kotouče [mm], n s frekvence otáčení brousicího kotouče [min -1 ], d w průměr obrobku [mm], n w frekvence otáčení obrobku [min -1 ], v fa axiální rychlost posuvu stolu [m.min -1 ], f a axiální posuv stolu [m], v fr radiální rychlost posuvu stolu [m.min -1 ], D hlavní bod při broušení [-], P f nástrojová rovina boční [-], P p nástrojová rovina zadní [-], P r nástrojová rovina základní [-], l a délka axiální dráhy brousicího kotouče [mm], l w délka obrobku [mm]. Řezné podmínky: Řezná rychlost v c se vyjádří vztahem: d s ns v c [m.s -1 ] 60 1000 d s průměr brousicího kotouče [mm], n s frekvence otáčení brousicího kotouče [min -1 ]. Řezná rychlost při běţném broušení je 30 aţ 35 m.s -1. Při rychlostním broušení je nutná aplikace kotouče se speciálním druhem pojiva a řezná rychlost zpravidla přesahuje 80 m.s -1, ve zvláštních případech aţ 180 m.s -1. 18
Obvodová rychlost obrobku v w je dána závislostí: d w průměr brousicího kotouče [mm], n w frekvence otáčení obrobku [min -1 ]. dw nw v w [m.mm -1 ] 1000 Poměr rychlosti q s je dán poměrem mezi řeznou rychlostí a posunovou rychlostí. Při broušení do kulata q s = 60 v c / v w [-] a při rovinném broušení q s = 60 v c / v ft [-]. Axiální rychlost posuvu stolu v fa je dána vztahem: f a axiální posuv stolu [m], n w frekvence otáčení obrobku [min -1 ]. v fa = f a. n w [m.min -1 ] Stykový oblouk brousicího kotouče a obrobku se kvantifikuje jako geometrická délka styku l g, kinematická délka styku l k a skutečná délka styku l e. Pro běţné podmínky obvodového broušení je geometrická délka styku: l 2 g f r r eq f r radiální posuv stolu [m], r eq ekvivalent poloměru brousicího kotouče [mm]. Ekvivalent poloměru brousicího kotouče r eq vyjadřuje poloměr fiktivního brousicího kotouče v záběru s obrobkem, který má stejnou délku geometrického styku l g jako brousicí kotouč s poloměrem r s v záběru s obrobkem o poloměru r w při obvodovém broušení. Hodnota r eg se vyjádří ve tvaru: r w s r eg [mm] rw rs r Ve vztahu ekvivalentu poloměru brousicího kotouče r eg se pro vnější broušení do kulata pouţije znaménko plus a pro vnitřní broušení do kulata znaménko minus. Kinematická délka styku l k se vyjádří dle: 1 l k 1 q q absolutní hodnota poměru rychlostí. 19
Řezné podmínky a teoretické výpočty: Soustružení: Vzhledem k tvaru obrobku, tj. rotační těleso, se jako vhodná varianta nabízí soustruţení. Z metod soustruţení pak soustruţení zapichovacím způsobem, či vnějším ubíracím noţem. Pro zvýšení efektivity je zde moţnost navrhnout kombinovaný nástroj s více noţi, coţ vede zároveň ke zvýšení výsledné řezné síly. Předpokládáme rovněţ moţnost přerušovaného řezu. U všech variant je vyţadováno chlazení místa řezu. Předpokládané doporučené řezné podmínky pro tři základní varianty: Materiál Ocel DIN 1.7225 350HB (38-40HRC) Rm [MPa] (teoretická) Třída obrobitelnosti 1150 9b Materiál nástroje P25 (TP2500) v c [m.min -1 ] f [mm.ot -1 ] a p [mm] 330 0.3 0.5 Ocel DIN 1.7225 500-600HB (50-57HRC) (1800) - H10-H15 (TH1500) 150 0.15 0.5 Ocel DIN 1.1231 aţ 700HB (61HRC) (2500) - CBN (CBN160C) 200 0.07 0.5 * Hodnoty uvedené v závorce jsou teoretické. ** Jako vzorové materiály nástrojů byly pouţity materiály firmy SECO tools. Materiál TH1500 je vyuţitelný rovněţ pro první variantu zušlechtěné oceli 1.7225, přičemţ vykazuje více neţ dvojnásobnou ţivotnost břitu. 20
Řezná síla: var. a) Fc= C Fc * a xfc p * f yfc pro oceli pevnost 1100 aţ 1200MPa: C Fc = 2720, x Fc = 1, y Fc = 0.75 Fc = 2720 * 0.5 * 0.3 0.75 = 551 N Výsledná řezná síla pro jeden břit, var a) Materiál: Rm [MPa] Fc [N] DIN 1.7225 (40HCR) 1150 550 DIN 1.7225 (55HRC) (1800) 400 DIN 1.1231 (61HRC) (2500) 350 var. b) kc = kc1 * (1-0,01 * γ o ) / h mc, Fc = kc * s pro oceli 1100 aţ 1200 MPa 40HRC: Kc1 = 2000, mc = 0.24, h = f * sin κr = 0.2996 pro oceli >1200 MPa 50HRC: Kc1 = 2900, mc = 0.22, h = 0.1499 pro oceli >1200 MPa 50HRC: Kc1 = 4700, mc = 0.22, h = 0.0699 Kc = 2000 * (1-0.01 * - 6) / 0.2996 0.22 = 2830 MPa, Fc = 2830 * 0.5 * 0.3 = 424 N Výsledná řezná síla pro jeden břit, var b) Materiál: Rm [MPa] kc [MPa] Fc [N] DIN 1.7225 (40HCR) 1150 2830 424 DIN 1.7225 (55HRC) (1800) 4400 330 DIN 1.1231 (61HRC) (2500) 8440 295 Minimální požadovaná tuhost: Velikost deformace soustavy stroj nástroj obrobek nesmí překročit poţadovanou přesnost obrobku. Výpočet tuhosti: Js = F / Δy [N/μm] Předpokládaná teoretická velikost pasivní síly je dána primárně geometrií soustruţnického noţe. Pro γ o = -6, Κr = 93, budeme předpokládat maximální podíl pasivní síly vůči řezné síle Fp / Fc = 0.4. Poţadovaná minimální tuhost soustavy S-N-O pak odpovídá poměru pasivní síly 21
vůči dovolené odchylce rozměru kola. Poţadovaná přesnost IT10. Předpokládejme ½ tolerance pro nepřesnost z hlediska deformace. Js = 0.4 * 600 / 200 = 1.2 N/μm Předpokládaná minimální poţadovaná tuhost v radiálním směru pak činí 1.2N/μm. Pro tečný směr: Js = 600 / 200 = 3 N/μm 22
Frézování čelní a obvodem: Čelní frézování umoţňuje obrobit poţadovanou plochu v poţadovaných parametrech. Jako negativní lze poţadovat přerušovaný řez a tím i kolísající sloţky řezné síly a zatíţení břitových destiček a horší přístup do bočních částí nákolku. Poţadované geometrie κ r = 90, D = 80, z = 6, maximální počet zubů v záběru 3, a p = 0.5 / 14 mm, φ 1 = 45, doporučené posuvy na zub f z = 0,10 aţ 0,15 mm v c = 50 aţ 60 / 250 aţ 500 m.min -1. Materiál nástroje slinutý karbid skupiny H10-H25, CBN pro kalenou povrchovou vrstvu 60HRC. Frézování obvodem frézy připadá do úvahy u boků nákolku. Šířka frézované vrstvy by odpovídala 10 aţ 15mm. Výsledné řezné síly pak budou díky tomu násobně vyšší, neţ u frézování čelního. 23
Materiál: f z [mm.z -1 ] v c [m.min -1 ] H10-25 (SECO MP1500) 0.15 60 CBN (CBN200) 0.15 250 aţ 500 ** Jako vzorové materiály nástrojů byly pouţity materiály firmy SECO tools. Teoretická hodnota řezné síly: kc= kc1*(1-0,01 * γ o ) / h m mc, Fc = kc * s h m = sin κ r * 360 * f z * a e / (Π * D * φ), h mi =f z * sin φ i pro oceli 1100 aţ 1200 MPa 40HRC: Kc1 = 2000, mc = 0.24, hm1,3 = 0.15 * 0.5 = 0.075, hm2 = fz = 0.15 Řezná síla na jednotlivých zubech Kc1,3 = 2000 * (1-0.01*-5) / 0.075 0.24 = 3910 MPa, Kc2 = 2000 * (1-0.01*-5) / 0.15 0.24 = 3311 MPa Fc1,3 = 3910 * 0.075 * 0.5 = 146.6 N Fc2 = 3311*0.15*0.5 = 248.3 N Součet řezných sil v ose x F cx [N] = 0,87 * Fc1 + Fc2 + 0,5 * Fc3 = 127.5 + 248.3 + 73.3 = 449.1 N Součet řezných sil v ose y F cy [N] = -0,5 * Fc1 + 0 * Fc2 + 0,87 * Fc3 = -73.3 + 0 + 127,5 = 54.2 N Materiál: Rm [MPa] K c 1,2,3 [MPa] F cx [N] F cy [N] DIN 1.7225 (40HCR) DIN 1.7225 (55HRC) DIN 1.1231 (61HRC) 1150 3910, 3311, 3910 449.1 54.2 (1800) 5383, 4622, 5383 676 128.4 (2500) 8725, 7491, 8725 1175 241 Uvedené hodnoty platí pouze pro maxima při čelním frézování. Při frézování obvodem roste maximum řezné síly úměrně s průřezem třísky. Pro výšku nákolku 10mm a ap 0,15mm je pak maximální síla v tečném směry (osa x) násobně vyšší, tj. o 3000, 3500 respektive 6000N. Poţadovaná minimální tuhost sytému s-n-o v ose x pak při čelním frézování: Za předpokladu IT9 pro vnitřní tvar kola a nákolku. Js = 1200 / 70 = 17 N/μm V případě frézování nákolku ve výšce 10 mm Js = 6000 / 70 = 85 N/μm 24
Broušení: Předpokládané řezné podmínky pro tři základní varianty brousicích kotoučů: Ocel DIN 1.7225 Tvrdost 300 HB (měkký stav) a 500 aţ 600 HB (zušlechtěný a kalený stav), R a = 1,6 m Charakteristika brousicího kotouče: brousicí kotouč na plocho 250 x 25 x 76 mm Technická charakteristika: 35A 46 H 7 V (umělý korund bílý). Doporučené řezné podmínky: v c = 35 m.s -1 a p = 0,02 mm pro měkký stav (tvrdost 300 HB) a p = 0,01 mm pro zušlechtěný a kalený stav (tvrdost 500 aţ 600 HB) f ot = pro hrubování 2/3 šířky brousicího kotouče f ot = pro dokončování 1/3 šířky brousicího kotouče Poměr rychlostí: q s = 60 aţ 80 pro hrubování, q s = 80 aţ 120 pro dokončování. Ocel DIN 1.1231 - Uhlíková ocel na pružiny Tvrdost 600 aţ 700 HB uhlíková ocel na pruţiny, R a = 1,6 m Charakteristika brousicího kotouče: brousicí kotouč na plocho 250 x 25 x 76 mm Technická charakteristika: 70A 46 Jot 14 V (SG cubitron), Doporučené řezné podmínky: v c = 35 m.s -1 a p = 0,01 mm pro zušlechtěný a kalený stav (tvrdost 600 aţ 700 HB) f ot = pro hrubování 2/3 šířky brousicího kotouče f ot = pro dokončování 1/3 šířky brousicího kotouče Poměr rychlostí: q s = 60 aţ 80 pro hrubování, q s = 80 aţ 120 pro dokončování. 25
Střední průřez odebíraného materiálu: A s = v o * a p * f ot / (60 * v c ) [mm 2 ] Materiál: v c [ms -1 ] v o [m.min -1 ] a p [mm] f ot [mm.ot -1 ] A s [mm 2 ] DIN 1.7225 (40HCR) 35 30 0.01 16 0.0023 DIN 1.1231 (61HRC) 35 21 0.01 16 0.0016 Výpočet řezné síly: F c = K c * A s Kde se je ekvivalentní průřez třísky a K c měrná řezná síla pro broušení. Ekvivalentní průřez: Materiál K c [MPa] F c [N] DIN 1.7225 (40HCR) (20 000MPa) 46 DIN 1.1231 (61HRC) (40 000MPa) 64 Poţadovaná minimální tuhost sytému S-N-O v ose x pak při broušení rozjíţděcím způsobem do kulata: Za předpokladu IT6 pro vnitřní tvar kola a nákolku. Js = 64 / 40 = 1.6 N/μm V případě pasivních sil dosahujících aţ trojnásobku síly řezné: Js = 120/40 = 3 N/μm 26
Vyhodnocení jednotlivých technologií Pro srovnání jednotlivých metod obrábění stanovíme orientační ceny nástrojů, výkonost obrábění, poţadovaný efektivní výkon, minimální poţadovanou tuhost a poţadovanou prostorovou náročnost z hlediska nástrojového prostoru. Metoda: Q [cm 3.min -1 ] Pc [kw] Js [N. μm -1 ] L [mm] Ceny nástrojů soustruţení 7 3 1.2-3 150 3500Kč frézování 21 7.5 17-85 200 32000Kč broušení 5.6 <0.1 1.6-3 300 2000Kč Pro výpočet odebraného objemu materiálu a efektivního výkonu byly pouţity nastavení s nejvyššími hodnotami. To obvykle odpovídalo kalené vrstvě s tvrdostí 60HRC. Pro hodnotu prostorové náročnosti je uvaţován hlavní rozměr nástroje a poţadavek na dostatečný odvod třísek z místa řezu, případně zajištění chlazení. Ceny nástrojů jsou orientační, pro jeden nástroj a nejhůře obrobitelný materiál (draţší nástroj) a k němu připadající vyměnitelné břitové destičky. Výrazný nárůst ceny u frézování odpovídá, jak větší ceně za nástroj, tak většímu počtu pouţitých VBD u frézovací hlavy. Závěr a doporučení U obrobku lze předpokládat, vzhledem k aplikaci povrchováho kalení, vysoké hodnoty tvrdosti a jí odpovídající obrobitelnosti především v povrchové vrstvě do 15 aţ 20mm. S rostoucí hloubkou a opotřebením kola pak bude docházet k poklesu tvrdosti. Pro zajištění rotačního pohybu obrobku bude potřeba zajistit přenos kroutícího momentu minimálně v hodnotě odpovídající 20 aţ 400 N.m (bez uvaţování setrvačnosti obrobku). Vzhledem k tomu, ţe základní tvar obroku je rotační těleso, a obráběné plochy leţí jak na obvodu tak na vnitřním čele, doporučujeme jako základní metodu vyuţít soustruţení. Oproti zbývajícím metodám má navíc relativně menší nároky na výkon stroje, prostorovou náročnost i tuhost soustavy. Vůči technologii frézování lze předpokládat plynulejší řez a niţší hodnoty řezných sil u kterých nebude docházet ke značným výkyvům. Provedené technologické výpočty vycházejí ze stávajícího stavu poznání, jako podklady byly pouţity materiály renomovaných technologických firem a aktuální odborná literarura. Výsledné hodnoty jsou teoretické a pro upřesnění je nutné provést praktické testy, jak na vzorcích materiálu, tak na výsledném tvaru obrobku nákolku. Pro testování doporučujeme pouţít uvedené nástrojové materiály, jak na bázi kubického nitridu boru, tak slinutých karbidů typu H. Z hlediska vhodného tvaru nástroje doporučujeme univerzální břitové destičky například tvaru D, umoţňující obrobit celý vnitřní tvar nákolku. Vzhledem k těţko obrobitelnému materiálu obrobku pak doporučujeme negativní úhel čela γ o = -5 aţ -6. Pro dosaţaní zvolené kvality obrobeného povrchu lze pouţít doporučené řezné podmínky. Pro vlastní testování doporučujeme pouţít rozsah posuvů od 0.05 po 0.2 mm a řezných rychlostí od 50 do 300 m.min -1. Aplikaci broušení nelze jednoznačně doporučit vzhledem k věším prostorovým poţadavkům, nárokům na chlazení a hlavně potřebě zajistit lepší vymezení vůlí v loţiscích pojezdového kola, jak v axiálním, tak radiálním směru. 27
Použitá literatura: HUMÁR, Anton. Materiály pro řezné nástroje. 1. vyd. Praha: MM publishing, 2008, 235 s. ISBN 978-80-2542250-2. Springer handbook of mechanical engineering. 1st ed. New York: Springer, 2008, p. cm. ISBN 978-354-0491-316. KLOCKE, Fritz. Manufacturing Processes 2: Grinding, Honing, Lapping. 1,. Berlin Heidelberg: Springer-Verlag, 2009. ISBN 978-3-540-92258-2. AARON, T., E. aj. Metals Handbook - Volume 16 - Machining. 9. ed. Metals Park, OH 44073: ASM International [B. r.]. 944 s. ISBN 0-87170-007-7. MARINESCU, Ioan D. Handbook of machining with grinding wheels. Boca Raton, Fla.: CRC / Taylor, 2007, 596 p. ISBN 978-157-4446-715. KOCMAN, Karel a Jaroslav PROKOP. Technologie obrábění. Brno: CERM, 2005, 270 s. ISBN 80-214-3068-0. GAZDA, J., aj. Teorie obrábění. Řezné síly při obrábění. 1. vyd. Liberec: VŠST Liberec 1993. 123 s. ISBN 80-7083-110-3. VASILKO, K. BOKUČAVA, G.: Brúsenie kovových materiálov. 1. vyd. Bratislava: ALFA 1988. MASLOV. J. N.: Teorie broušení kovů. 1.vyd. Praha: SNTL 1979. 246 s. SECO TOOLS AB. Milling 2012: Katalog nástrojů. Fagertsta, Sweden: SECO Tools AB, 2012, 626 s. Dostupné z: www.secotools.com SECO TOOLS AB. Turning 2012: Katalog nástrojů. Fagersta, Sweden: SECO Tools AB, 2012, 652 s. Dostupné z: www.secotools.com 28