Střední průmyslová škola a Vyšší odborná škola technická, Sokolská 1, Brno
VÝROBNÍ TECHNOLOGIE HSC (High-Speed-Cuttinig)
Poslední mezinárodní výstavy obráběcích strojů a výrobních technologií a též nákupy do výrobních
podniků zaznamenávají generační skok v nástupu vysokorychlostního třískového obrábění. Jde o
přelom v technologii obrábění, která se následně odráží v koncepci stavby obráběcích strojů a
jejich příslušenství. To co bylo dříve předmětem laboratorních výzkumů nastupuje do praxe.
1) Princip HSC (vysokorychlostního obrábění) řezných procesů.
HSC zahrnuje kromě vlastního „Vysoko rychlostního obrábění“, také příbuzné technologie tzv.
suché a tvrdé obrábění a další aplikace základního principu. Tyto technologie mají společný základ ve
zvyšování řezné rychlosti a teploty třísky. Obecně stále platí – efektivní řezání kovu nastává tehdy
když si řezný materiál udrží v řezném prostředí výraznou převahu tvrdosti oproti obráběnému
materiálu.
Při konvenčním obrábění nastává v rovině střihu zpevnění třísky a její ztvrdnutí oproti původnímu
materiálu. V podmínkách HSC mimořádně tvrdými a tepelně odolnými nástroji se teplota třísky
přiblíží tavící teplotě obráběného materiálu a při určité řezné rychlosti dojde k náhlé změně
řady vlastností vznikající třísky. Tříska zčervená, i kalená ocelová tříska změkne a sníží svou
přítlačnou sílu na čelo nástroje. Sníží se kontaktní zóny a při vysokých rychlostech tříska nemá
čas předat teplo. Minimalizuje se přenos tepla do nástroje, naprostá většina tepla odchází s
třískou. Nástroje mají vysokou kvalitu řezné hrany, důmyslné povlakování, které vzdoruje
abrazi, difusním procesům a navíc vytváří tepelnou izolaci. Růst teploty nástroje dosahuje
maxima:
600o C u hliníku
1 000o pro bronz
1 300o C pro šedou litinu
1 500o C pro oceli.
Popsaná blesková změna teploty je pozitivním faktorem a principielním zdrojem efektů
vysokorychlostního obrábění. Chlazení není žádoucí, bránilo by popsanému efektu. Při obrábění
těžko obrobitelných materiálů, pro dosažení žádoucího efektu, může být podpořeno laserovým
ohřevem materiálu těsně před jeho vstupem do zóny střihu.
2) Řezné materiály pro HSC obrábění.
Řezné materiály, aby vzdorovali možnosti náhlého lomu, následkem mechanických a
tepelných šoků a omezilo se opotřebení, musí mít vysokou houževnatost, vysokou tvrdost
povrchu, vysokou odolnost proti chemickému působení – zejména oxidaci a korozi. Hlavním
cílem volby je stanovit pro každý obráběný materiál , materiál řezný s dostatečnou převahou tvrdostí
v rozsahu teplot řezného procesu. Novodobé řezné materiály umožňují vysokorychlostní obrábění:
 ocelí – povlakovanými karbidy a cermety
 litiny – keramikou
 neželezné materiály – polykrystalickými diamanty
 litiny a kalené oceli – kubickým nitridem bóru
 vysokorychlostní broušení kalených materiálů - kotouči s keramickým pojivem a kubickým
nitridem boru.
o
Použití diamantu při kritické teplotě 700 C se vylučuje – je možné použití pro řezné rychlosti okolo
500 m/min, při obrábění hliníku a nekovových materiálů.
Vývoj řezných rychlostí neustále pokračuje. Řezné rychlosti vzrostly v průměru třikrát v každých 20-ti
letech dvacátého století – tedy se znásobily 15ti násobně za posledních sto let. Přestože není
znám žádný převratně nový řezný materiál, lze očekávat další nárůst řezných rychlostí.
V současnosti existuje hranice použitelnosti řezných materiálů, neexistuje hranice řezných
rychlostí.
V následné tabulce jsou uvedeny horní hranice řezných rychlostí při kombinaci řezných a obráběných
materiálů.
1
Střední průmyslová škola a Vyšší odborná škola technická, Sokolská 1, Brno
Dosahované řezné rychlosti pro základní skupiny
obráběných a řezných materiálů.
řezný
materiál
obráběný
materiál
Rychlořezná ocel
Nepovlakované karbidy
CVD povlakované
karbidy
PVD povlakované
karbidy
Cermety
Keramika
Ocel
Litina.
Super slitiny
Neželezné a
nekov.
materiály
10 –25
70 – 150
80 - 300
15 – 30
50 – 120
70 – 450
5 – 20
40 – 75
90 – 250
100 - 180
90 - 950
nevhodné
40 – 200
90 – 200
50 – 90
90 – 950
40 – 300
300 – 600
50 – 400
50 – 750 –
40 – 180
40 – 250
150 - 700
400 - 700
nevhodné
120 – 250
nevhodné
500 – 1 300
nevhodné
70 – 250
500 –5 500
nevhodné
1500
Polykrystalický diamant
Polykrystalický kubický
nitrid boru
pouze kalené
oceli
3) Řezné podmínky.
Současné aplikace rychlostního obrábění, zejména malými průměry frézovacích nástrojů a
soustružením, přinášejí významné snížení výrobních časů až o 90% a snížení nákladů až o 50%.
Je zřejmá hlavní snaha docílit zvýšení výkonu, kvality obráběného povrchu i životnosti nástroje
vyššími otáčkami a posuvy při snížené hloubce třísky, nižších řezných silách, snížené teplotě
obrobku.
Přesnou kvantitativní hranici parametrů strojů a řezných podmínek za kterých by vznikly efekty
rychlostního obrábění není snadné předem obecně stanovit. U strojů není správné vycházet pouze
z instalovaných otáček vřetene a rychlosti pracovních posuvů, spíše je důležitý dosažený nárůst řezné
rychlosti (závislost na průměru) a výkonu řezání (vyjádřeného v cm3 /min) proti konvenční technologii
obdobného případu. Tyto parametry spolu s vlastnostmi obráběného a řezného materiálu nejblíže
souvisí s dosažením hlavního efektu HSC obrábění kterým je náhlé změknutí třísky při dosažení určité
mezní teploty ve smykové zóně řezu a tomu odpovídající pokles řezné síly. Při nejvyšších otáčkách
potřebných pro frézovací nástroje velmi malých průměrů již nelze instalovaný výkon a kroutící
moment mnohdy ani využít pro hrozící ohybový lom nástroje – zde je limitován posuv na zub,
snížení je nutné zejména při frézování tvrdých a těžko obrobitelných materiálů. (příklad:
Frézování hluboké zápustky – tvar s malými radiusy – štíhlý nástroj.) Naopak – na velký průměr
mnohabřitové frézy postačují nižší otáčky a vyšší posuv na zub – ohyb nehrozí a dále frekvence
záběru zubů je mnohonásobkem frekvence otáček vřetene. To dovoluje využít extrémní minutové
posuvy zejména při hrubování lehkých kovů, kde není omezení radiální pevností nástroje a kvalitou
povrchu.
Z výše uvedených důvodů se podle technologického zaměření konkrétních HSC strojů setkáváme
s velmi širokým rozsahem parametrů otáček a minutových posuvů. (speciální obráběcí stroje se ve
své většině vyrábí na zakázku – dle požadavků zákazníka, který již ví co bude na daném stroji
vyrábět). Jako typické parametry HSC strojů střední velikosti jsou uváděny tyto hodnoty:
► Otáčky vřeten: Frézovacích -10 000 až 80 000. Soustružnických - 5 000 až 15 000.
Brousících až 160 000.
► Výkony vřeten: Frézovacích i soustružnických 15 až 60 KW.
► Rychlost pracovních posuvů: 10 až 40 m/min.
► Úběry třísek frézováním: 3,2 l / min pro hliník, 0,64 l / min pro ocel.
2
Střední průmyslová škola a Vyšší odborná škola technická, Sokolská 1, Brno
4) Příklady řezných podmínek při obrábění „supertvrdými“ materiály.
HSC obrábění má dnes největší význam ve výrobě zápustek, forem, ve výrobě tvarově složitých
výrobků – při opracování nástroji letmo upnutými malých průměrů. Zvládnutí této oblasti přispívá
k rozvoji řady „netřískových technologií“. Při potřebě letmo upnutého dlouhého nástroje - frézy malého
průměru který nelze zkrátit ani podepřít je zvýšení řezné rychlosti jedinou cestou ke zvýšení řezného
výkonu. Po frézování a soustružení je frézování ozubení a řezání závitů další oblastí uplatnění této
technologie.
Je zde uveden výběr z několika příkladů řezných podmínek k některým materiálům:
Hrubovací soustružení nástroji s PCBN ( kubický nitrid bóru):
Soustružení nástrojových ocelí (58–62 HRC): V = 80 –120 m /min, h = 2– 2,5 mm, f = 1,2– 0,4 mm/ot
Soustružení šedé litiny
(220 HB): V = 500–1 000 m /min, h = 0,5–2 mm, f = 0,1– 0,4 mm /ot
Hrubovací frézování nástroji s PCBN ( kubický nitrid bóru):
Frézování nástrojových ocelí (58 –62 HRC): V = 180 m /min, h = 1 mm, f = 0,25 mm / zub.
Frézování kalené oceli
(60 HRC):
V = 180 m /min, h = 1 mm, f = 0,2 mm / zub.
Obrábění na čisto (soustružení a frézování) nástroji s PCBN ( kubický nitrid bóru):
Obrábění kalené oceli
(62 HRC): V = 60 -250 m /min, f = 0,02 – 0,2 mm / ot nebo mm / zub.
Řezné výkony strojů jdou neustále do vyšších hodnot (které umožňuje využít technologie obrábění ve
filosofii HSC). EMO Paříž 99 a další.
MAZAK (Japonsko) Horizontální obráběcí centrum FF660
Suché frézování litiny frézovací hlavou s keramickými plátky posuvem
40 m / min, otáčkami vřetene 8 000 ot/min, průměr frézovací hlavy 70 mm .
Řezná rychlost cca 1680 m /min výkon 15 KW. v pracovním cyklu byly
rychloposuvy 90 m /min. Zrychlení 15m / sec2 (1,5 g).
Yamazaki MAZAK v r.1999 zkonstruovala a vyrobila soustruh pro letecký průmysl (obrábění
duralu) s těmito parametry:
Posuvy:do 120m/min, otáčky vřetene: do 50 000ot /min, výkon: 45KW.
5) Nástroje a nástrojové systémy.
Řezné nástroje představují v nákladech obrábění pouze 2 – 5%, ale jejich vliv zapříčiněný
kvalitou volby je na ekonomický výsledek podstatně vyšší.
Ve vývoji nástrojů a ve způsobu jakým jsou nástroje a nástrojové sestavy nabízeny lze vysledovat
následující trendy:
 Nabídka nástrojů je službou a s ní je nabízeno know-how k optimalizaci volby nástroje a jeho
nasazení.
 Nastupuje elektronická komunikace mezi dodavatelem a zákazníkem.
 Lze očekávat redukci počtu dodavatelů.
 Nástroje jsou uzpůsobeny novým technologiím (HSC a dalších).
 Upínání nástrojů respektuje požadavky nových technologií.
 Vývoj nových nástrojů a nástrojových sestav je podřízen požadavkům na snižování časů
(vedlejších, strojních), snižováním počtu operací, snižováním nákladů na nástroje a nákladů
souvisejících (chlazení).
 Prosazují se ekologická hlediska.
Informace, příklady použití, řezné podmínky, úspory proti stávajícímu řešení lze najít na elektronických
katalozích dodávaných na CD ROM. Tyto vedou uživatele od volby technologické operace k optimální volbě
nástroje. Nikoliv nástroj a následně jeho použití, jak uvádí staré katalogy. Existují softwarové programy
3
Střední průmyslová škola a Vyšší odborná škola technická, Sokolská 1, Brno
simulující průběh namáhání v nástroji, průběh teploty, také vytváření třísky. Tedy můžeme
optimalizovat navrhovaný nástroj, obrobek nebo technologii. Pozor výrobci poskytují potřebnou míru
informovanosti zákazníka a znají svoji nezbytnou míru ochrany vlastního duševního vlastnictví.
6) Řezné materiály.
Rychlořezná ocel - i když je v současnosti kvalitnější, používá se minimálně a to tam kde je
požadavek na houževnatost, ostrou řeznou hranu, nebo složitost nástroje (vrtáky, závitníky,
odvalovací frézy) a používá se velmi často s povlaky. Podíl RO se snižuje ve prospěch slinutých
karbidů.
Slinuté karbidy - (na bázi karbidu wolframu ve spojení s kobaltem jako vazebním materiálem) - jsou
dominantním řezným materiálem. Výkon řezné hrany je několikanásobný ve srovnání s dobou kdy
byly uváděny na trh. Povlakované, jsou hlavním prostředkem ke zvyšování produktivity. Náklady na
SK nástroje jsou malé a tvoří cca 3% celkových výrobních nákladů na výrobek. Povlakované až
třívrstvé materiály představují většinu spotřeby, nepovlakované se využívají s výhodou pro
opracovávání vysokopevnostních slitin a na výrobu nástrojů. Hrany nepovlakovaných nástrojů
mohou být ostřejší něž povlakované.
Trendy jsou: k jemnozrnné struktuře karbidu, k více, až 15-ti vrstvám povlaků.
Cermety – (Slinuté karbidy na bázi karbidu titanu s vazebním materiálem niklem) – Používají se
převážně pro dokončovací obrábění. Mimo všechny požadované potřebné vlastnosti mají navíc
schopnost udržet ostrou hranu – to umožňuje dodržet úzké tolerance opracovávaného tvaru,
dosáhnout vysokou řeznou rychlost a kvalitu povrchu při vysoké životnosti nástroje. Omezením
použitelnosti cermetů je nedostatek houževnatosti a schopnosti vzdorovat tepelným rázům ve
srovnání s SK na bázi WC. Vývoj vede k houževnatějším cermetům s povlaky pro možnosti
středně těžkých operacích.
Řezná keramika – (na bázi oxidu hlinitého nebo nitridu křemíku) - Očekávaný nárůst používání
zabrzdil prudký nárůst výkonů SK. Pod názvem řezná keramika je skryta široká paleta materiálů
neustále se vyvíjejících a pro nové speciální uplatnění. Požití např. při obrábění slitiny INCONEL
718 dosahuje řezné rychlosti 700 až 1 000 m /min., posuv na zub 0,05 mm destička povlakovaná
nitridem titanu. Velkou konkurencí je kubický nitrid boru.
Kubický nitrid boru – je po diamantu nejtvrdším materiálem, očekává se další jeho výrazný rozvoj.
Použití při obrábění dílců vyrobených práškovou metalurgii, tvrdého obrábění, obrábění litiny
s obsahem perlitu 95% a při dokončovacích operacích na obrobcích z vysokolegovaných slitin.
Polykrystalický diamant - je nejtvrdší z řezných materiálů, ale proti předchozím snáší nižší teploty.
Použití pro lehké a středně těžké obrábění hliníkových slitin.
6a) Nanášení povlaků:
1. Metoda CVD – chemická reakce plynů s materiálem.
.
Zařízení se skládá se zásobníku plynů, směšovače plynů, z pracovní (reaktivní komory s výrobky která má zařízení pro ohřev) a dále systém vakuových vývěv.
Pro soudržnost povlaku se základním materiálem je dokonalé očištění povrchu, několik stupňů
čištění od mechanického, chemického až konečného ve vakuové komoře
2. Metoda PVD – fyzikální děj mezi elektrodou (plátkem) a elektrodou z kovu (jedna složka
povlaku) a plynem (více plyny) (druhá složka povlaku). Materiál odpařený z elektrody (př.chemicky
čistý titan) je v doutnavém výboji ionizován, během cesty reaguje s atomy plynu (př.chemicky čistý
dusík). Zařízení je obdobné jako u předchozího – nároky na čistotu stejné.
Tvrdost povlaků je vysoká, nástroje mají 4x vyšší trvanlivost než nepovlakované – Vyšší výkon při
obrábění, je lepší jakost povrchu děr při použití povlakovaného vrtáku.
Bariérový efekt proti nepříznivým chemickým reakcím a teplu za účelem zabránění zahřátí destičky.
Schopnost trvale přilnout se substrátem destičky.
Snížení součinitele tření – na čele, na hřbetu.
Odolnost proti opotřebení.
Houževnatost.
4
Střední průmyslová škola a Vyšší odborná škola technická, Sokolská 1, Brno
Vývoj jde neustále dopředu v kvalitě vrstev a počtu, nanáší se několik vrstev (až 10) různých
typů, určité tloušťky - tyto bývají: TiC (karbid titanu), Al2O3 (oxid hlinitý/keramika), TiN (nitrid titanu –
zlaté zabarvení), TiCN (karbonitrid titanu). Tvar po nanesení povlaku je nezměněn, rozměry se
zvětší o tloušťku povlaku to je 4-8 m.
Klasifikace (karbidů) řezných materiálů dle ISO = P, M, K. – platí pro SK a cermety
P – materiály tvořící dlouhou třísku (oceli) M –žáruvzdorné, žáropevné, korozivzdorné oceli
K – materiály tvořící krátkou třísku (litiny), tvrdé materiály (tvrzená litina), měkké materiály (hliník).
Za písmenem je uvedeno číslo – čím vyšší, tím houževnatější je řezný materiál.
7) Tvary výměnných destiček a držáků.
U tvarů lze vysledovat několik protichůdných tendencí.
► Snižování nákladů na nástroje maximálním využití destičky – tvary kulaté,čtvercové, osmihranné.
► Potřeba zvolit pro každou operaci optimální nástroj, vede ke vzniku tvarové členitosti destiček.
► Minimalizace destiček vede k jejich použití tam, kde doposud byly používány monolitické nástroje.
► Snaha univerzálnosti tvaru destiček s cílem minimalizovat počet nástrojů, jejich výměn a náklady
skladování.
► Utvářeče třísky a povlakování jsou koncipovány pro metody HSC.
► Další tvary utvářečů třísky umožňují nahradit efekt vyplachování v hlubokých otvorech.
► Vzhledem k současným vlastnostem SK je možno pro technologii HSC použít i pozitivní úhly čela,
což má za následek snížení řezných sil.
Snahy o zkrácení vedlejších časů vede konstruktéry nástrojů volit systémy upínání tak, aby čas
výměny (pootočení) byl minimální.
U nástrojů pro soustružení: Nastaly velké změny v konstrukci držáků (chlazení v držáku, tuhost pro
nové způsoby obrábění, řízený odvod třísek), ale také se očekávají držáky s bezprostředním
laserovým předehřevem.
U nástrojů pro frézování: Lze nejvíce pozorovat nástup technologie HSC v oblastech frézování
forem, kde HSC úspěšně konkuruje elektrochemickému a elektrojiskrovému obrábění. Stopková
fréza dosahuje až 40 000 otáček, monolitní nástroj musí mít házivost pod 0,003 mm, s VDSK pod
0,010 mm požaduje se minimální nevývažek, což vede na př.: k výrobě vrtací tyče z titanu.
Konstrukce nástroje umožňuje přístup chladiva nebo vzduchu tělem nástroje – důvodem je také
odstranění třísek a teplota. Je nutnost označit povolené maximální otáčky zřetelně na těle nástroje
z důvodů bezpečnosti práce, neboť uvolněná destička má razanci kulky z pistole.
8) Upínání nástrojů..
Tlak na zvýšení produktivity práce vede k tomu, že se eliminují omezení dané mechanizmem upnutí
při zkracování vedlejších časů a také snižování počtu upnutí.
Nástroje (stopky pro frézy) jsou řešeny jako vyvažitelné pro omezení vibrací. Vyvažování se děje
pomocí dvou vyvažovacích prstenců v těle nástroje a také bývá řešeno elektromagneticky přímo na
stroji – proces vyvažování netrvá déle než 2 sec. Odstranění chvění prodlouží životnost ostří až
dvojnásobně.
Zkracování vedlejších časů upínání je dosahováno takovým řešením, kde k upnutí postačuje často
pouze jeden hmat obsluhy jištěný zvukovým signálem, signalizující správnost upnutí.
Známé je rychlé upínání – přepínání vyměnitelných destiček v držácích soustružnických nožů. Výrobci
řeší rozličně – často potočení o 90˚ uvolní plátek případně jej upevní do lůžka s přesností 0,005
mm. Dále modulární rychlovýměnné nástroje (části - hlavy nožů) př. Coromant Capto.
Obecná snaha snižování upínacích časů nástrojů se promítá do nástupu poháněných upínačů, u
obráběcích center (př.: frézování na soustruhu) a upínání obrobků s možností naklápění a tím
využití daného nástroje.
5
Střední průmyslová škola a Vyšší odborná škola technická, Sokolská 1, Brno
9) Upínací systémy obrobků, odvod třísek.
Používají se modulární stavebnicové systémy hydraulické i pneumatické, konstrukce vícenásobných
svěráků pro různé kombinace s možností regulace upínacích sil. Zejména po hrubovacích operacích
je nutno snížit upínací síly pro snížení možných deformací při dokončovacích operacích, jelikož tam již
nejsou při metodě HSC tak vysoké řezné síly.
Při použití technologie HSC je nutný rychlý odvod třísek za účelem snížení ohřevu obrobku, nástroje,
stroje a tím vzniku tepelné dilatace. Dilatace znamená nepřesnost stroje, nástroje i výsledného
obrobku. Je řešeno vhodně umístěnými výkonnými dopravníky třísek, ale též v některých případech
změnou konstrukce stroje: např. u soustruhu je upínač umístěn svisle a obrobek je do něho „zavěšen“
(obrácený karuselový soustruh).
10) Software pro tvorbu programů. Řídící systémy strojů. (- pro HSC)
Tyto musí přispívat k dobré aplikaci při použití - při rychlostním obrábění. Jsou to zejména:
► Minimalizace záběrů nástroje plnou šířkou. (u frézy – celým průměrem).
► Zabezpečit, aby nástroj minimalizoval přejíždění na př. z jedné na druhou drážku
- tedy je požadavek vyhotovit jednu drážku a následně přejet na další a vyhotovit.
► Podpora při obrábění po křivkách také provádět změny posuvu v závislosti
na změně zakřivení.
► Úprava náběhů a výběhů po oblouku – tyto propojit (plynulý pohyb nástroje.
► Hladké křivky i pro hrubování.
► Zajistit, aby nástroj pokud možno odebíral konstantní množství materiálu.
► Použitelnost (jeho volba v CAMu) sousledného, nesousledného frézování.
► Výpočet a znázornění minima vysunutí nástroje z držáku.
Představitelem tohoto trendu jsou CAD/CAM systémy – 3D až 5D.
6
Download

HSC technologie.pdf - SPŠ Sokolská, Brno