2002 / 2003 10.10.2002 VÝROBNÍ TECHNOLOGIE II TECHNOLOGIE STROJNÍHO OBRÁBĚNÍ ZADÁNÍ: Zpracujte pojednaní na téma,, technologie strojního obrábění, které bude mít následující předepsané členění: 1. Základy technologie strojního obrábění: - plochy na obrobku - plochy na nástroji - základní roviny nástrojové souřadnicové soustavy - geometrie břitu soustružnického nože - rozdělení a krátká charakteristika základních materiálů pro řezné nástroje 2. Technologie soustružení: - základní charakteristiky(rychlosti, průřez třísky) - charakteristika základních operací - rozdělení a popis nástrojů - rozdělení a popis strojů 3. Technologie frézování: - základní charakteristiky(způsoby frézování, rychlosti, průřez třísky) - rozdělení a popis nástrojů - rozdělení a popis strojů 1
Základy obrábění Plochy na obrobku Obrábění je technologický proces, při kterém vytváříme povrchy určitého tvaru, rozměrů a jakosti povrchu. Obrábění se uskutečňuje v soustavě stroj nástroj obrobek je spojeno s odebíráním materiálu účinky mechanickými, elektrickými a chemickými, popř. jejich kombinací. Řezání je způsob obráběni, při kterém dochází k úběru částic materiálu ve formě třísek břitem nástroje. Obrobek je to obráběný nebo již obrobený předmět. Předmět, který se teprve bude obrábět se nazývá polotovar. Obráběná plocha je část povrchu obrobku, ze které bude odebírán materiál. Obrobená plocha je plocha, vzniklá obráběním. Plocha řezu je plocha, vzniklá těsně za břitem nástroje. Řezný pohyb je vzájemný pohyb mezi obrobkem a nástrojem a skládá se obvykle ze dvou složek: Ze složky hlavního řezného pohybu, která se shoduje se základním pohybem obráběcího stroj (vřeteno u soustruhů, vrtaček, frézek, smýkadlo u obráběček), může být otáčivý, přímočarý nebo složený. Ze složky vedlejšího řezného pohybu, která se skládá ze dvou pohybů: a. posuv - Spolu s hlavním řezným pohybem, umožňujě obrábění, je obvykle kolmý na směr hlavního řezného pohybu, vykonává jej nástroj nebo obrobek. b. přísuv umožnuje nastavení hloubku řezu. Nástrojové roviny Základní rovina Z je rovina, která je u nožů rovnoběžná s ustavovaní plochou nože a prochází bodem, ve kterém se určuje geometrie ostří, u rotačních nástrojů (vrták fréza) je to rovina rovnoběžná nebo totožná s rovinou, která je proložena osou nástroje a prochází bodem, ve kterém se určuje geometrie ostří. Rovina řezu N je rovina kolmá rovině základní a Obsahuje přímku ostří nebo tečnu ostří v bodě, ve kterém se určuje geometrie ostří. Rovina měření je rovina kolmá k oběma předcházejícím rovinám a prochází bodem, ve kterém se geometrie ostří určuje. Geometrie břitu Úhel nastavení ostří χ je úhel, který svírá tečná rovina řezu N se směrem dráhy ostří. Uhel špičky nástroje ε je úhel, který svírá rovina řezu N hlavního ostří s rovinou řezu N vedlejšího ostří. Úhly v rovině měření Úhel hřbetu α je úhel, který svírá tečná rovina plochy hřbetu s rovinou plochy řezu Úhel břitu β je úhel, který svírá tečná rovina plochy čela s tečnou rovinou plochy hřbetu. Uhel čela γ je úhel, který svírá tečná rovina plochy čela se základní rovinou. 2
Úhel řezu δ je úhel, který svírá tečná rovina plochy čela s rovinou řezu. Úhly v rovině řezu N Úhel sklon ostří λ je úhel, který svírá tečná přímka ostří se základní rovinou. Uvedené úhly a roviny mají význam y hlediska konstrukce nástroje, jeho výroby a ostření. Nástrojové materiály Materiály na řezná nástroje musí mít tyto základní vlastnosti: tvrdost převyšující tvrdost obráběného materiálu minimálně o 5-6 HRC odolnost vůči opotřebení i za vysokých teplot dobrou tlakovou a ohybovou pevnost dobrou teplenou vodivost Používané materiály na řezné nástroje nástrojové oceli slinuté karbidy keramické řezné materiály diamanty brousící materiály Nástrojové oceli 19 1xx, 19 2xx) neobsahují legující prvky, tvrdost získanou tepleným zpracováním si zachovávají do teplot 250 až 300 C. Oceli s obsahem C od 1 do 1, 35% jsou vhodné především pro ruční nástroje(ruční výstružníky, závistníky, dláta pily) mají dostatečnou tvrdost a houževnatost. Oceli s vyšším obsahem C (do 1,5%) mají vysokou tvrdost ale nízkou houževnatost, proto se používají pro výrobu pilníků. Nástrojové oceli slitinové obsah C od 0,8 do 1,2%, tvrdost si zachovávají do teplot 350 až 400 C. Podle obsahu legujících prvků je rozděluje na: oceli manganové(19 3xx). Tvrdé karbidy manganu se tvoří, obsahuje-li ocel více než 20% Mn. Menší obsah manganu má vliv na tvrdost oceli. Při obsahu kolem 2% En se oceli při kalení minimálně deformují a vykazují vysokou rozměrovou stálost. Používají se tam, kde záleží na dodržení tvarové a rozměrové přesnosti závitníky, závistivé čelisti, měřidla. oceli chromové(19 4xx) Cr tvoří samotné karbidy vysoké tvrdosti a stabilizuje karbidy ostatních prvků i za vyšší teploty. Zvyšuje tvrdost a otěruvzdornost oceli, zvyšuje také prokalitelnost. Od obsahu 4% Cr jsou ocelin kalitelné na vzduchu. Cr je kromě karbidů rozpuštěn také v základní hmotě ferritu a zvyšuje tím pevnost a houževnatost oceli. Používá se u nástrojů, kde se vyžaduje vysoká tvrdost a houževnatost a snadné tepelné zpracování, např. šroubové vrtáky, výstružníky, tvarové nože a frézy, protahovací trny. Pro svou tvarovou stálost se používají k výrobě nejpřesnějších měřidel Oceli wolframové(19 7xx) wolfram tvoří samostatné velmi tvrdé karbidy, proto si tyto oceli zachovávají vysokou tvrdost i za vyšších teplot. Wolfram se často kombinuje s vanadem a chromem. Tyto oceli se používají n výrobu nejkvalitnějších šroubových vrtáků, závitořezných strojů, fréz a chirurgických nástrojů. Jsou vhodné i pro obrábění velmi tvrdých a špatně tepelně vodivých materiálů(lepenka, korek, pryž, dřevo). Rychlořezné oceli (19 8xx) snáší pracovní teploty 550 až 600 C, Jsou legovány W, Cr, Mo, V, Co, obsahují méně než 1%C. Používají se na nejvíce namáhané nástroje k obrábění ocelí i těžko obrobitelných materiálů. Pro hrubování se používají oceli s vyšším obsahem Co(až 10%). Pro dokončování s vyšším obsahem Mo(až 5%). Slinuté karbidy jsou vyráběny práškovou metalurgií z karbidů těžkých kovů. Nejčastěji požívané jsou karbidy wolframu, titanu, Tantalu, chromu. charakteristické vlastnosti slinutých 3
karbidů jsou hlavně vysoká pevnost a tvrdost, odolnost proti korozi a otěru, špatná tepelná a elektrická vodivost, pracovní teploty 800-1000 C, tyto vlastnosti umožňují jejich požití i na těžko obrobitelné a tvrdé materiály, např. kalená ocel, bílá litina, sklo. Slinuté karbidy můžeme dělit na: Skupina P - skupina typu WC TiC Co nebo WC-TiC-TaC-Co. Používají se pro obrábění houževnatých materiálů s tvářenou třískou (oceli, oceli na odlitky, temperovaná litina). Skupina M - skupina typu WC-TiC-TaC-Co nebo WC-TiC-Cr 3 Cr 2, použití zejména ocelí i litin a těžko obrobitelných slitin. Skupina K - skupina typu WC-Co. Používají se pro obrábění materiálů s drobivou třískovou, např. šedá litina, neželezné kovy, kalené oceli, plasty. Keramické řezné materiály se vyrábějí práškovou metalurgií, výchozí surovinou je oxid hlinitý. Keramické materiály mají malou pevnost v ohybu, nehodí se pro obrábění přerušovaným řezem, mají vysokou odolnost vůči otěru, pracovní teplota může být až 1200 C.Rozdělení: Čisté oxidy - téměř čistý Al 2 O 3. Cermety - skládají se z Al 2 O 3.s přísadou až 40% 4ist7ch kov; (Ni, Mo, Cr). Maj9 vyšší houževnatost a tvrdost Karbidové oxidy základem je Al 2 O 3.nebo MgO s přísadou až 50%C TiC, WC nebo Mo 2 C. Mají vyšší houževnatost, jemnou strukturu a vysokou odolnost vůči opotřebení. Diamant je čistý křemík, je nejtvrdším materiálem. Požívá se na jednoduché jedno břité nástroje k jemnému obrábění s nepřerušovaným řezem. Je vhodný k obrábění měkých a houževnatých materiál, neželezných kovů a jejich slitin, pryže, plastů, lepenek a materiálů s malou tepelnou vodivostí. Brusivo požívá se výrob brousících nástrojů, jako řezného materiálu se požívá jemných zrn velké tvrdosti. Zrna jsou spojována pojivy do tvarů brousících nástrojů. Brusiva se rozdělují na přírodní(pískovec, pazourek, smirek, křemen) a umělá. Přírodní brusiva se požívají pouze na brusná plátna, na výrobu brusných kotoučů se požívají zásadně umělá brusiva. Druhy umělých brusiv: Umělý korud je to tavený oxid hlinitý. Při běžné čistotě (85-98%C) má hnědou barvu, čistý Al 2 O 3 má barvu bílou a s přísadou Cr růžovou. Karbid křemíku(sic) se vyrábí redukcí SiO 2 s velmi čistým, koksem, Má vyšší tvrdost než korud, ale větší křehkost. Barva se pohybuje podle čistoty od světle do tmavě zelené. Karbid boru vyrábí se s kyseliny borité a velmi čistého koksu. Používá se jako náhrada za diamant, jeho výroba je velmi drahá. Kubický nitrid boru podobné vlastnosti jak o diamant, ale vysoká cena. Soustružení 4 Charakteristika výrobní metody Soustružení je způsob obrábění vnějších i vnitřních rotačních ploch. Na soustruhu můžeme vrtat, vystružovat, řezat závity, podsoustružovat zuby fréz, vyrábět vačky apod. Základem tohoto způsobu obrábění je rotační pohyb obrobku (hlavní řezný pohyb). Obvodová rychlost obrobku je řeznou
rychlostí v [m.min -1 ]. Nástroj koná nejčastěji přímočarý pohyb (vedlejší řezný pohyb): Podélný posuv je rovnoběžný s osou rotace, stopa po noži je šroubovice. Příčný posuv je kolmý na osu rotace, slouží obvykle k nastavení hloubky řezu, stopa po noži je spirála. Základní výpočty π. D. n 1 Řezná rychlost: v = [ m.min ] 1000 D - obráběný průměr [mm] n - otáčky obrobku [min -1 ] Řezné síly na noži: Hlavní řezná síla: F Z = S t.p [N] Průřez třísky: S t = s. t [mm 2 ] s - posuv [mm] t - hloubka třísky [mm] Řezný odpor: p = (4 6). Rm [MPa] Soustružnické nože Soustružení je metoda, kde se uplatňuje velký počet různých druhů nástrojů. Geometrie břitu pro běžné soustružení je stanovena ČSN. Úhel hřbetu a se pohybuje v rozmezí 5 až 12, úhel řezu δ od 65 do 100, úhel λ pro měkké materiály +5, pro velmi tvrdé až -20. Při obrábění houževnatých materiálů vznikají dlouhé plynulé třísky, které poškozují povrch a špatně se odstraňují. Pro lepší utváření třísek se doplňuje čelní plocha nože žlábkem, tzv. utvářečem třísky. 1 - Uběrací nůž čelní pravý 2 - Uběrací nůž přímý 3 - Uběrací nůž ohnutý pravý 4 - Rádiusový uběrací nůž 5 - Naběrací nůž 6 - Uběrací nůž stranový pravý 7 - Hladíci nůž 8 - Rohový nůž pravý 9 - Zapichovací nůž 10 - Upichovací nůž 11 - Vnitřní uběrací nůž 12 - Vnitřní rohový nůž 13 - Vnitřní zapichovací nůž 14 - Vyvrtávací nůž 5
Rozdělení soustružnických nožů: 1. Podle tvaru: přímé stranové ohnuté osazené kotoučové prizmatické 2. Podle způsobu obrábění: ubírací upichovací a zapichovací tvarové 3. Podle druhu nástrojového materiálu: rychlořezná ocel - RO slinuté karbidy - SK keramické materiály - KM a diamanty 4. Podle postavení nože vzhledem k obrobku: radiální tangenciální 5. Podle polohy hlavního ostří: pravé levé souměrné Pravý nůž má při vodorovné poloze, špičkou k pozorovateli a čelem vzhůru, ostří na pravé straně (levý na levé straně). 6. Podle způsobu zhotovení: celistvé s připájenou, přivařenou, přilepenou řeznou částí s mechanicky upínanou řeznou destičkou Tvarové nože Používají se k obrábění různých tvarových ploch na soustruzích, revolverových soustruzích a automatech. Tvarové nože dělíme na: Radiální - mají posuv do řezu v radiálním směru buď kolmo nebo šikmo k ose součásti. Podle provedení je rozdělujeme: Ploché - výrobně jednoduché, snesou malý počet ostření. 6
Prizmatické hranolové - vhodné pro revolverové soustruhy a automaty, ustavení a upnutí je v rybinovém vedení, snesou velký počet ostření. Kotoučové nože - používají se pro vnější i vnitřní soustružení, kotoučový tvar dovoluje mnohonásobné ostření, které se provádí pouze na čele. Výhodou je rovněž snadná výroba nože, protože tvar jejich ostří se získává soustružením. Při obrábění musí být osa nože nad osou obrobku o hodnotu H, aby bylo dosaženo správné geometrie břitu. Poloha nože v držáku se zajišťuje kolíky nebo bočními vruby. Tangenciální - vnějším tvarem se neliší od radiálních prizmatických nožů, rozdíl je v posuvu, který je tangenciálním k povrchu obrobku. Během obrábění se nám mění úhly α, γ a řezné rychlosti v různých bodech ostří. Používají se pro mělké tvary a při obrábění na soustružnických automatech. Hrotové soustruhy Jedná se o univerzální stroje, které se používají k obrábění obrobků upnutých ve sklíčidle, v hrotech, na trnech apod. Mají široký rozsah otáček a posuvů, jejich velikost je dána oběžným průměrem nad ložem a největší vzdáleností hrotů. 7
Hlavní části: Lože - litinový nosník na dvou nohách. Na horní straně jsou přesně opracovaná vedení. Po vnějším páru vedení se pohybuje suport, po vnitřním koník. Lože zachycuje veškeré síly znikající při obrábění musí být dostatečně tuhé. Vřeteník s vřetenem (3) - vřeteno uděluje obrobku řezný pohyb. Jeho uložení musí být takové, aby zachytilo radiální i axiální síly. V přední části je válečkové ložisko, vzadu kombinace radiálního a axiálního ložiska. Na provedení a uložení vřetene závisí přesnost stroje. Vřeteno bývá ukončeno hrotem, lícní deskou nebo univerzálním sklíčidlem (4). Pohon - používají se asynchronní motory, k převodu krouticího momentu na vřeteno se používají klínové nebo ozubené řemeny. Převodovka - obsahuje ozubená kola a spojku (lamelovou, zubovou nebo hydraulickou). Dochází k přenášení velkých krouticích momentů. Suport - zajišťuje podélný a příčný posuv nože, je na něm upevněna nožová hlava (8) pro upínání nástrojů. Koník - je to litinový stojánek, v jehož horní části je posuvně uložena pinola s vnitrním kuželem. Kuželová dutina je souosá s pracovním vřetenem. Do koníku se upíná druhý hrot, vrtáky, výstružníky, závitníky apod. FRÉZOVÁNÍ Charakteristika výrobní metody Frézováním se obrábějí rovinné i tvarové plochy otáčejícím se vícebřitým nástrojem - frézou. Hlavní řezný pohyb je rotační a vykonává jej nástroj. Tento pohyb je dán řeznou rychlostí, která závisí na materiálu obrobku a materiálu nástroje. Vedlejší řezný pohyb koná obvykle obrobek, a může být přímočarý ( pohyb v ose X, Y, Z) nebo kruhový. Výsledným řezným pohybem je tedy cykloida. Způsoby frézování Nesousledné frézování Fréza se otáčí proti směru posuvu, průřez třísky se postupně zvětšuje od 0 do maximální hodnoty. Výsledná řezná síla směřuje ven z obrobku vyšší nároky na upnutí součástí. Při záběru třísky od nulové hodnoty se břit nástroje "sklouzne" po obráběné ploše horší drsnost obrobené plochy. 8
Sousledné frézování Fréza se otáčí ve směru posuvu, průřez třísky se mění od maximální hodnoty do 0. Při tomto způsobu záběru třísky dosáhneme lepší drsnost obrobené plochy. Výsledná řezná síla směřuje do obrobku menší nároky na upnutí. Výkon při sousledném frézování je o 30 až 50 % vyšší než při nesousledném frézování při stejné trvanlivosti nástroje. Nevýhodou sousledného frézování jsou rázy, které vznikají při záběru každého zubu do materiálu. Tyto rázy můžeme odstranit použitím fréz s šikmými zuby. Frézky pro sousledné frézování musí mít zařízení pro vymezení vůlí mezi posuvovým šroubem stolu a jeho maticí nebo mají pohon řešen pomocí kuličkových šroubů (bezvůlové uložení). Čelní frézování Osa frézy je kolmá k obráběné ploše. Materiál je odřezáván nejen břity na obvodu, ale také břity na čelní ploše frézy. Tloušťka třísky se mění od minima do maxima podle velikosti průměru frézy a šířky obráběné plochy. Tento způsob frézování je výkonnější, protože při něm zabírá více zubů současně můžeme volit větší posuv stolu. Základní výpočty π. D. n 1 Řezná rychlost: v = [ m.min ] 1000 Volí se podle obrobitelnosti materiálu, materiálu nástroje a způsobu obrábění. Velikost posuvu můžeme zadávat jako: Posuv na 1 zub s Z - vyhledáme v tabulkách [mm/1 zub] Posuv na otáčku s O - s Z.z z - počet zubů frézy Posuvová rychlost s O. n= s Z.z. n [mm, min -1 ] n - počet otáček [min -1 ] Průřez třísky je proměnný, protože během záběru se mění tloušťka třísky. Pro válcovou frézu s přímými zuby: a max = s z. sin ϕ max S t =a max. B = s z. sin ϕ max.b [mm 2 ] Čelní frézování: S t = t. a = t. s z. sin ϕ [mm 2 ] Řezná síla: F z = S t. p [N] 9
Frézovací nástroje Frézy jsou několikabřité nástroje, jejichž břity jsou uspořádány na válcové, kuželové nebo jiné tvarové ploše, u čelních fréz také na čelní ploše: Frézy můžeme rozdělit do jednotlivých skupin podle těchto hledisek: Podle způsobu výroby zubů rozeznáváme frézy s frézovanými zuby (brousí se na čele i na hřbetě, používají se pro jednodušší tvary) a frézy s podsoustružovanými nebo podbrušovanými zuby (hřbet zubu tvoří Archimédova spirála, mají nulový úhel čela, brousí se jen na čele používají se pro složité tvarové plochy). Podle počtu dílů - celistvé, dělené, s vkládanými zuby (přivařené, připájené, mechanicky upnuté). Podle způsobu upnutí - nástrčné, s válcovou (kuželovou) stopkou. Podle smyslu otáčeni - pravořezné a levořezné. Pravořezná fréza se otáčí ve směru hodinových ručiček při pohledu od vřetene. Aby axiální řezný tlak směřoval do vřetena, řezná hrana pravořezných fréz má obyčejně levou šroubovici a naopak. U složených fréz má jedna fréza pravou, druhá levou šroubovici axiální síly se ruší. Podle funkce - válcové, čelní válcové, drážkovací, kotoučové, tvarové, úhlové, kuželové, rádiusové, na ozubení, na závity apod. Válcové frézy Mají zuby pouze na obvodě frézy, používají se pro frézování rovinných ploch rovnoběžných s osou nástroje. Břity nástrojů pro hrubování bývají opatřeny drážkami pro dělení třísek vyšší výkon. Čelní válcové frézy Mají zuby na obvodě i na jedné čelní ploše, umožňují frézování rovinných ploch kolmých i rovnoběžných na osu nástroje. Velké čelní frézy nazýváme frézovací hlavy, malé čelní válcové frézy nazýváme stopkové. Do této skupiny můžeme zařadit také frézy drážkovací a frézy na "T" drážky. 10
Kotoučové frézy a pily Kotoučové frézy se používají převážně pro výrobu drážek, zářezů a vybrání. Zuby jsou umístněny na obvodu i na obou čelech. Častým požadavkem je, aby frézy měly i po přeostření stejnou šířku, proto se dělají dělené a rozměr se nastaví pomocí ocelových vložek. Zuby na obvodu frézy bývají obvykle střídavě v pravé a v levé šroubovici. Tyto frézy mají stejnoměrnější záběr a lepší odvod třísek. Pilové kotouče se používají pro úzké drážky a pro dělení materiálu. Úhlové frézy Používají se pro frézování různých úhlových profilů (úkosy, sražení, rybinová vedení, zubové mezery fréz, výstružníků apod.). Mohou být souměrné a nesouměrné (jsou určeny pro frézování šroubovitých drážek), jednostranné nebo oboustranné. Tvarové frézy Zachovávají stálý tvar a úhel hřbetu i po mnohonásobném ostření (ostření se provádí pouze na čele). Této vlastnosti dosáhneme podsoustružením nebo podbroušením tvaru zubu. Podsoustružování se může provádět radiálně, axiálně nebo šikmo. Podsoustružování se provádí na speciálních strojích, kde je pohyb nože řízen vačkou. Rozdělení a popis strojů Konzolové frézky Hlavním znakem je konzola upevněná na vedení stojanu, přestavitelná ve svislém směru. Na konzole jsou upevněny podélné a příčné saně, čímž je uložen pohyb součásti ve třech osách. Používají se k obrábění malých a středních součástí. Podle provedení mohou být: Vodorovné: mají vodorovnou osu pracovního vřetene. Pracujeme na nich převážně válcovými, kotoučovými a tvarovými frézami. Svislé: mají svislou osu pracovního vřetene, které můžeme natáčet o ±45. Obrábíme zde hlavně rovinné plochy, drážky apod. Univerzální: mají stejnou konstrukci jako vodorovné, ale pracovní stůl lze natáčet. Lze zde frézování šroubovitých drážek, šneků, zubů apod. 11
Speciální frézky Kopírovací frézky dělíme je na mechanické, hydraulické a elektrokontaktní. Kopírování se provádí ve vodorovných nebo svislých souřadnicích, poloautomaticky nebo automaticky. Frézky na ozubení, na závity, na vačky, pantografické. Číslicově řízené frézky Vřeteník může mít vodorovnou nebo svislou osu. Charakteristickým rysem obráběcích center je zásobník na 10 až 60 nástrojů. Veškerý pohyb je řízen podle vloženého programu. Pohon je řešen elektrohydraulicky přes kuličkové šrouby. 12