Projekt: CENTRUM VZDĚLÁVÁNÍ PEDAGOGŮ ODBORNÝCH ŠKOL Vzdělávací program: VP8 Progresivní obráběcí stroje a nástroje ve výrobním procesu Moduly vzdělávacího programu: M81 Nové trendy v konstrukci progresivních obráběcích strojů M82 Progresivní nástroje v třískovém obrábění soustružení - Iscar M83 Progresivní nástroje v třískovém obrábění frézování - Iscar M84 Praktické ukázky progresivních nástrojů v třískovém obrábění od f. Iscar na Střední průmyslové škole a Obchodní akademii Uherský Brod M85 Progresivní nástroje v třískovém obrábění - Grumant 1
Obsah M81 Nové trendy v konstrukci progresivních obráběcích strojů... 3 M82 Progresivní nástroje v třískovém obrábění soustružení - Iscar... 16 M83 Progresivní nástroje v třískovém obrábění frézování - Iscar... 20 M84 Praktické ukázky progresivních nástrojů v třískovém obrábění od f. Iscar na Střední průmyslové škole a Obchodní akademii Uherský Brod... 26 M85 Progresivní nástroje v třískovém obrábění - Grumant... 27 Použitá literatura:... 33 2
M81 Nové trendy v konstrukci progresivních obráběcích strojů Obsah: Co je CNC obráběcí stroj Vlivy na vývoj CNC obráběcích strojů Směry vývoje obráběcích strojů Multifunkční obráběcí centra Obráběcí centra soustružnická Obráběcí centra na nerotační součásti Co je CNC obráběcí stroj? 3
4
Vlivy na vývoj CNC OS faktory: F1 Odvětví průmyslu Typ odvětví, do kterého je dodáván obráběcí stroj určuje i specifika v jeho konstrukci. Každý tento typ odvětví potřebuje jiný typ obráběcího stroje, který si buď výrobce koupí, nebo zajišťuje součásti dodavatelsky. Rozeznáváme tyto hlavní odvětví průmyslu: Letecký, kosmický, železniční, námořní, doprava 5
Energetický, naftařský, nukleární, důlní Výrobních strojů a zpracovatelský 6
F2 Situace na trhu Vlivy na vývoj CNC OS faktory: F3 Zákazník 7
F4 Vývoj technologie obrábění Směry vývoje inteligence OS: 8
Směry vývoje - adaptivita a učení: 9
Směry vývoje - snižování energetické náročnosti: 10
11
Směry vývoje mechatronické principy: 12
Multifunkční obráběcí centra: 13
Obráběcí centra soustružnická: Obráběcí centra na nerotační součásti: 14
Obráběcí centra na nerotační součásti: 15
M82 Progresivní nástroje v třískovém obrábění soustružení - Iscar Doporučená aplikace Pro rychlé hrubování f 1.2mm/ot a p = 0.5-5 mm a p = 1-8 mm a p = 4-15 mm Nová generace destiček pro soustružení Wiper Hladící destičky LNMX 110408 WG LNMX 110412 WG LNMX 150608 WG LNMX 150612 WG Wiper destičky pro ty, co potřebují hrubovat s lepším povrchem 16
Keramické Si 3 N 4 tangenciální destičky Vc - do 1000 m/min F - do 1 mm/ot LNMX 150608T-R/L IS8 Na litinu při vyšších rychlostech a posuvech Problémy s upínacími šrouby Nový páčkový upínací systém pro LNMX 15 se právě testuje 17
Doporučená aplikace Posuv až do 2.5 mm/ot LayDown destičky Všeobecné podmínky IC9150 Soustružení při vyšších řezných rychlostech a posuvech za spíše stabilních podmínek. V plném rozsahu nahrazuje IC9015. Nahrazuje IC9025 s vyšším parametrem řezné rychlosti 18
Všeobecné podmínky IC9350 Doporučeno pro aplikace v nestabilních podmínkách a přerušovaných řezech. První volba k nahrazení: Sandvik Gc4035 Seco TP3000 Kennametal Kc9040. Aplikace keramiky Hrubovací soustružení šedé a tvárné litiny. Přerušovaný řez. Za sucha i s chlazením. Rychlé hrubovací soustružení litiny. Přerušovaný řez. Za sucha i s chlazením. Dokončovací soustružení litiny a kalených ocelí. Všeobecné soustružení kalených ocelí a tvrdých litin. 19
M83 Progresivní nástroje v třískovém obrábění frézování - Iscar Vysokorychlostní obrábění HSC HSC High Speed Cutting Vychází z poznatku, že při vysokých řezných rychlostech i při vyšších pracovních posuvech lze dosáhnout vyššího výkonu obrábění při stejném nebo menším průřezu třísky. Řezná síla, která závisí především na průřezu odebírané třísky, je při vysokorychlostním obrábění nižší. Přináší to následující výhody: Zvýší se podíl tepla, který odchází tříškou, čímž je nástroj tepelně méně zatížen a zvyšuje se tak zpravidla jeho životnost. Tento aspekt je důležitý nejen z hlediska spotřeby nástrojů, ale i z hlediska ztrát výrobní kapacity při časté výměně opotřebovaného nástroje. Nižší ohřev obrobku při vhodném technickém řešení odvodu třísek z prostoru obráběcího stroje přenáší méně tepla do rámu stroje. Obojí má kladný vliv na dosahovanou přesnost obráběné součásti. Nezanedbatelným přínosem HSC je i kvalitně obrobený povrch a jeho vzhled. Požadavky na stroje pro HSC obrábění: Frézovací stroje, otáčky vřetena 10 000 80 000 otáček/min. Soustruhy otáčky vřetena 5 000 15 000 otáček/min. Požadovaný výkon frézovacího i soustružnického vřetena 15 100 kw Rychlost pracovních posuvů 10 60 m/min. a rychloposuvů 90 120 m/min. Řezné materiály HSC obrábění Pro volbu nástrojů při HSC obrábění platí, že pro eliminaci možnosti náhlého lomu nástroje následkem mechanických nebo tepelných šoků a pro snížení opotřebení nástroje musí mít řezné materiály vysokou tvrdost povrchu, houževnatost a vysokou odolnost proti chemickému opotřebení. Zpravidla je možná aplikace následujících řezných materiálů: polykrystalický kubický nitrid boru, slinuté karbidy, keramické materiály, polykrystalický diamant. Uvedené řezné materiály zabezpečují aplikaci HSC obrábění zejména při obrábění: Ocelí povlakovanými slinutými karbidy. Neželezných kovů a nekovových materiálů polykrystalickým diamantem. Litiny keramikou. Kalených ocelí a litin polykrystalickým kubickým nitridem boru. 20
Řezné rychlosti pro HSC obrábění pro vybrané druhy materiálů jsou uvedeny v následující tabulce. Materiál Řezná rychlost (m/min.) Ocel 800-1100 Litina 900-1600 Slitina Al 3000-6000 Plasty zpevněné vlákny 2800-8000 Bronz, mosaz 1100-3000 Řezné rychlosti pro HSC obrábění podle metody obrábění jsou uvedeny v následující tabulce. Metoda obrábění Řezná rychlost (m/min.) Soustružení 800-8000 Vrtání 100-1100 Frézování 560-6000 Vystružování 10-250 Broušení 6000-9500 Teoretické aspekty HSC obrábění Rozdíly mezi rychlostním a konvenčním obráběním se výrazně projevují v mechanismu tvorby třísky. Oddělování třísky je velmi složitým procesem, jehož průběh závisí na mnoha činitelích, zejména na fyzikálních vlastnostech obráběného materiálu a jejich závislosti na podmínkách plastické deformace. Obecně platí, že při zvyšující se řezné rychlosti se oblast plastické deformace v zóně tvorby třísky zužuje a ke vzniku třísky dochází plastickým skluzem v jedné rovině tzv. rovině střihu, viz obr. 21
V podmínkách HSC obrábění znamená rostoucí řezná rychlost i vyšší množství práce potřebné k řezání, které se přemění v teplo. Převážná část vzniklého tepla se odvádí třískou, její teplota se blíží tavící teplotě obráběného materiálu. Při určité řezné rychlosti se náhle změní fyzikální a chemické vlastnosti třísky a transformace obráběného materiálu v třísku probíhá v rovině střihu za vysoké teploty. Při obrábění se přibližně 98 % práce řezání přemění v teplo, které u HSC obrábění přechází převážně do třísky. Je-li téměř veškeré vzniklé teplo při obrábění odvedeno třískou, je minimalizován vliv energetického působení na vlastnosti povrchové vrstvy a vznik nežádoucích reziduálních napětí pro obrábění. HSC obrábění má taky nevýhody: nákladné strojní vybavení, speciální a drahé nástroje, nutnost vyvažování nástrojů, speciální upínání nástroje a obrobku, odstraňování velkého objemu třísek za jednotku času. 22
Suché obrábění Při suchém obrábění je snaha po eliminaci nebo minimalizaci spotřeby řezných kapalin a redukci nákladů na jejich recyklování. Je vyvoláno vzrůstajícími požadavky na ochranu životního prostředí. V technologii obrábění jde především o odstranění pomocných technologických kapalin, které mají bezprostřední vliv jak na ekologii procesu, tak i na jeho ekonomiku. Tento vysoký podíl nákladů na řezné kapaliny a jejich likvidaci je vyvolán značnými investičními náklady potřebnými pro hospodaření s řeznou kapalinou. Vedle tzv. nulového řešení, které je v mnoha případech neschůdné, se prosazuje tzv. pseudo-suché obrábění s minimálním množstvím řezné kapaliny či maziva. Vážnou podmínkou suchého obrábění zůstává požadavek účinného odvádění horkých třísek z pracovního prostoru stroje. Jejich hromaděním na částech rámu stroje i na obrobku dochází v důsledku tepelných dilatací k ovlivnění přesnosti obrobku. Je nutné ale zdůraznit, že ne všechny metody obrábění např. vrtání a také ne všechny obráběné materiály např. hořčík, jsou k obrábění za sucha vhodné. Obrábění bez chlazení má i efekty ekonomické. Podle statistických údajů se do ceny výrobku promítá cena řezné kapaliny 7 17 %, zatímco cena nástrojů představuje pouze 2 4 %. Úroveň těchto nákladů závisí na výrobních operacích, na výrobku a jeho jakosti, na typech výrobních strojů a způsobu aplikace řezných kapalin apod. 23
Tvrdé obrábění Tvrdé obrábění umožňuje nahradit operace broušení kalených či tvrdých materiálů operacemi obráběním - zejména soustružením, frézováním, vrtáním a vyvrtáváním. Používá se řezných materiálů na bázi polykrystalického kubického nitridu boru (PCBN, PKBN), který umožňuje obrábění oceli v rozmezí tvrdosti 55 64 HRC. Dochází tak k podstatnému zvýšení množství odebraného materiálu, snížení času obrábění, zvýšení výrobnosti a k výraznému snížení nákladů. Nástroje osazené PCBN jsou používány také k obrábění slinovaných ocelí, bílé litiny s tvrdostí nad 50 HRC, šedé litiny i tvrdých návarových slitin. Při obrábění těchto materiálů se rovněž značně snižuje čas potřebný k výměně nástroje. Technologii tvrdého obrábění však nelze použít u obrobků, které nemají dostatečnou tuhost nebo tam, kde je požadována vysoká přesnost obráběného povrchu. Náhrada broušení nástrojem s definovanou geometrií břitu, zejména frézováním, je umožněno aplikací super tvrdých řezných materiálů a to především jak již bylo napsáno polykrystalickým kubickým nitridem boru. Tento řezný materiál si udržuje svou stabilní tvrdost až do 2 000 C, má výbornou odolnost proti teplotním šokům a vysokou odolnost proti mechanickému opotřebení. Uvedené vlastnosti způsobují, že si udržuje výrazně vyšší tvrdost oproti obráběnému materiálu při dané teplotě řezání a proces obrábění může probíhat efektivně. Jeho další předností je vysoká řezivost, dovolující řeznou rychlost např. při frézování kalené oceli a litiny 200 400 m/min. a šedé litiny kolem 2 000 m/min. při posuvech 1 000 2 000 mm/min. Při frézování kalených vodících ploch obráběcích strojů se dosahuje rovinnosti 0,01/1 000 mm a drsnosti povrchu Ra=0,6 0,8 µm. Vyšší řezivost znamená i vyšší trvanlivost podle kritéria rozměrové a tvarové přesnosti a drsnosti obráběného povrchu. Tato skutečnost je zvláště významná u CNC strojů, kde náklady na jednu hodinu práce stroje jsou vysoké. Z hlediska ekonomického, je frézování kubickým nitridem boru velice efektivní a lze jím nahradit v řadě případů operace broušení. Lze přitom očekávat i značné energetické úspory, protože spotřeba výkonu na odebrání stejného množství materiálu broušením je průměrně 4 krát větší než frézováním. 24
25
M84 Praktické ukázky progresivních nástrojů v třískovém obrábění od f. Iscar na Střední průmyslové škole a Obchodní akademii Uherský Brod 26
M85 Progresivní nástroje v třískovém obrábění - Grumant Obsah progresivní materiály řezných nástrojů progresivní nástroje pro frézování progresivní nástroje pro soustružení progresivní nástroje pro vrtání progresivní nástroje pro závitování Progresivní řezné materiály: - keramika - CBN kubický nitrid bóru - PCD polikrystalický diamant Řezné materiály: 27
Cermet - CERamic METal Kombinace tvrdosti keramiky a houževnatosti kovu. Pro dokončovací obrábění (odolnost proti adhezi a nízká náchylnost k reakci s obráběným materiálem). Řezná keramika: Na bázi oxidu hlinitého (Al2O3): Čistá (oxidická) 99,5% Al2O3; Směsná Al2O3 + ZrO2, Al2O3 + ZrO2 + CoO ; Vyztužená Al2O3 + TiC, Al2O3 + ZrO2 +TiC (SiC, Si3N4 whiskery)... Na bázi nitridu křemíku (Si3N4). 28
Podmínky efektivního nasazení ŘK vysoká tuhost systému stroj nástroj obrobek; výkonné obráběcí stroje s vysokým rozsahem otáček a posuvů v dobrém stavu; zakrytování pracovní části stroje; vhodný tvar VBD a úpravy ostří. Použití: obrábění litiny, obrábění kalených ocelí (do cca 64 HRC), obrábění superslitin. 29
CBN CBN kubický nitrid boru: vysoká tvrdost za tepla, vysoká otěruvzdornost, chemická stabilita. Použití 1. tvrzené oceli (martenzitická a tvrzená litina) 2. kalené ložiskové a mrazené nástrojové oceli (martenzitické nerezi) 3. Cobalt, Nikl a povrchově kalené slitiny železa (perlitická šedá litina) 30
Diamant Přírodní Syntetický Monokrystalický Polikrystalický Diamantové povlaky Diamantový povlak DLC (amorfní směs grafitu a uhlíku s vazbou podobnou diamantu) Diamantový povlak 31
Progresivní nástroje pro frézování: - Monolitní frézy ze spékaných ocelí - V7 frézy s proměnným úhlem břitu - X5070 frézy pro kalenou ocel - CBN kulové frézy - Rychloposuvové frézy s VBD - LaserBall - Aero Mill Monolitní frézy ze spékaných ocelí Díky vysoké houževnatosti spékané oceli jsou vhodné: - pro použití na strojích s nízkou tuhostí, - pro hrubování, - pro obrábění HRSA. 32
Použitá literatura: [1] MAREK, J., et al. Konstrukce CNC obráběcích strojů. 2nd ed. Praha: MM publishing, s.r.o., 2010. 420 p. ISBN 978-80-254-7980-3. [2] firemní literatura: TOSHULIN, Mazak, Zoller, Renishaw, Siemens, Toyoda, Mori Seiki, Kovosvit MAS, Tajmac-ZPS [3] ECONOMIC AND FINANCIAL AFFAIRS. [online]. 2011-12-04 [cit. 2011-12-05]. Dostupné z: http://ec.europa.eu/economy_finance/db_indicators/surveys/index_en.htm [4] ZELENÝ, J. Vysokorychlostní obrábění. 1st ed. Praha: MM Poublishing, s.r.o., 2000. 114 p. MM Průmyslové spektrum- speciál. ISBN 8085986-19-1. 33
Vydal: Střední průmyslová škola a Obchodní akademie Uherský Brod www.spsoa-ub.cz Uherský Brod, červen 2012 Vytvořeno v rámci projektu Centrum vzdělávání pedagogů odborných škol, reg. č. CZ.1.07/1.3.09/03.0017 Podpořeno Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky prostřednictvím Operačního programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost 34