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:
Spoluautor:
Ing. Petr Hajtmar, CSc.
Ing. Josef Sedlák, Ph.D.,
Ing. Oskar Zemčík, Ph.D.
JAKAPE
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)
Nízkolegovaná ušlechtilá chrom - molybdenová ocel k zušlechťování
Druh oceli
Technické dodací
ČSN EN 10083-3: 2007
předpisy
Dřívější označení
Použití
Chemické složení
v hmot. %
(rozbor tavby)
Složení hotového
výrobku2)
Mechanické
vlastnosti
v zušlechtěném
stavu3)
Maximální hodnoty
tvrdosti pro stav :
Prokalitelnost4)
1.7225 (1.7227)
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
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
C
Mn
P max.
S max.1)
Cr
Mo
Ni
V
max.
0,38 – max.
0,60 –
max.
max.
0,90 –
0,15 –
0,45
0,40
0,90
0,025
0,035
1,20
0,30
0,36 – max.
0,56 –
max.
max.
0,85 –
0,12 –
0,47
0,43
0,94
0,030
0,040
1,25
0,33
Re min. MPa
Rm MPa
d≤16
900
1100 - 1300
10
40
16<d≤40
Průměr
750
1000 - 1200
A min.
11 %
Z min.
45 %
KV
35min. J
40<d≤100
mm
650
900 - 1100
12
50
35
100<d≤160
550
800 - 950
13
50
35
160<d≤250
500
750 – 900
14
55
35
Povrchově kaleno
Zpracováno na střihatelnost
Ţíháno na měkko
(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
59
58
56
53
51
48
47
+H
min. 61 53 52
51
49
40
37
34
32
31
30
30
max. 53 61 61
60
60 59 59
58
56
53
51
48
47 46
+HH
61 56 55
54
52 43 46
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 40
37
34
32
31
30
4 35
min.
54
0 40
43
29
53
3
Tváření za tepla
Technologické vlastnosti
Doporučené rozmezí teplot pro tváření za tepla: 1100 aţ 850 oC
Normalizační
ţíhání oC
Obrobitelnost
Střihatelnost
Isotermické
ţíhání oC
Teplota
kalení oC
Kalicí
prostředí
Teplota po
popuštění oC
Zkouška
kalením
čela oC
800 aţ 900
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 : Ac1 = 745oC, Ac3 = 790oC, Ms = 300oC
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.
850 aţ 880
Tepelné
zpracování
Ţíhání na
měkko oC
680 aţ 880
1)
obsah síry u oceli 42CrMoS4 je 0,020 aţ 0,040 % s dovolenou odchylkou v hotovém výrobku ± 0,005 %.
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.
Re – mez kluzu, Rm – pevnost v tahu, A – taţnost ( počáteční délka Lo = 5,65 So ), 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.
2)
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
Uhlíková ocel na pruţiny
Druh oceli
Technické dodací
EN 10134-4: 2000
předpisy
1 CS67 podle EN 132-79, Ck 67 a C 67 podle DIN 17222-79, 12 071 podle ČSN 41 2071
Dřívější označení
Vhodná k výrobě pruţin a řetězů, ve stavu ţíhaném dobrá kalitelnost, ale omezená svařitelnost za studena
Použití
C
Mn
Si
P
S
Chemické složení
v [hmot. %] (rozbor
0,60 – 0,70
0,60 – 0,80
Max. 0,35
Max. 0,035
Max. 0,035
tavby)
1
Polotovar
[4]
Rozměr t, d [mm]
Stav2)
.30
.31
.40
.60
.70
.80
Mez kluzu Re nebo Rp 0,2 [MPa]
Mez pevnosti Rm [MPa]
540 – 690
570 – 740
1860 – 2060
1370 – 1570
1570 – 1770
1770 – 1960
Taţnost A10 [%] min
17
13
2
4
3
2
Mechanické
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
Teplotní součinitel
Měrná tepelná
Hustota
Tepelná vodivost
Konduktivita
roztaţnosti
kapacita
λt [W.m-1.K-1]
λe [MS.m-1]
[kg.m-3]
Fyzikální vlastnosti
-1 -1
-1
cp [J.kg .K ]
[K ]
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
Technologické údaje
Kalení
800 – 830 ºC
Ochlazovat v oleji
Popouštění
Podle ţádaných mechanických vlastností
Teploty přeměn
Ac1 ~ 730 ºC
Ac3 ~ 750 ºC
Ar3 ~ 730 ºC
Ar1 ~ 695 ºC
Zkouška lámavosti podle ČSN 42 0401
Technologické
zkoušky
Polotovar [4]
Stav .30
Průměr trnu D = 4a
Úhel ohybu = 180º
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,
Použití
.40 – ploché, značně pruţicí pruţiny,
.60 – řetězy motocyklů, dobře ohýbatelná na tvarové a dveřní pruţiny,
.80 – pruţiny (mírná ohýbatelnost).
Barevné značení podle
Druh oceli podle způsobu výroby
Třída odpadu podle ČSN 42 0030
ČSN 42 0010
Ostatní vlastnosti
Martinská nebo kyslíková
Zelená – modrá – oranţová
002
konvertorová nebo elektroocel
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
5
Aplikované technologie:
Kalení a popouštění
Účelem kalení je zvýšit tvrdost oceli. Je to ohřev součásti na teplotu nad Ac3 popř. Ac1, 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 Ac3 u ocelí podeutektoidních nebo nad Ac1
u nadeutektoidních. U ocelí nadeutektoidních se nevolí teploty kalení nad Acm z toho důvodu, ţe
zbylý cementit po ohřevu jen nad Ac1 je tvrdou sloţkou, a tedy přispívá k tvrdosti oceli po kalení.
Naopak kalení z teplot nad Acm, 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 Ac1.
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
A1 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 A3 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.
Nástrojový materiál
Vlastnost
Slinutý
karbid
Cermet
Al2O3+TiC
Si3N4+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
[HV]
1900
2000
1000÷2400
1800÷2000
[HRA]
90÷92
91÷93
93÷95
86÷95
Modul pružnosti v tahu
[GPa]
520÷660
500
370÷420
300÷380
Souč. délkové roztažnosti
[10-6.K-1]
4,5÷7,0
7,0÷7,5
1,5÷3,5
---
Měrná tepelná vodivost
[W.m-1.K-1]
80
30
20÷25
30÷50
Lomová houževnatost
[MPa.m1/2]
10÷17
10
4,2÷6,5
5÷7
Tvrdost
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 Al2O3 (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 Si3N4 (nitrid křemíku –
neoxidická keramika) má houţevnatost vyšší, a proto umoţňuje pouţití vyšších posuvových
rychlostí neţ ŘK na bázi Al2O3. 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 Ra.
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 vf, 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.
ds – průměr brousicího kotouče [mm],
ns – frekvence otáčení brousicího kotouče [min-1],
dw – průměr obrobku [mm],
nw – frekvence otáčení obrobku [min-1],
vfa – axiální rychlost posuvu stolu [m.min-1],
fa – axiální posuv stolu [m],
vfr – radiální rychlost posuvu stolu [m.min-1],
D – hlavní bod při broušení [-],
Pf – nástrojová rovina boční [-],
Pp – nástrojová rovina zadní [-],
Pr – nástrojová rovina základní [-],
la – délka axiální dráhy brousicího kotouče [mm],
lw – délka obrobku [mm].
Řezné podmínky:
Řezná rychlost vc se vyjádří vztahem:
vc
d s ns
[m.s-1]
60 1000
ds – průměr brousicího kotouče [mm],
ns – 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 vw je dána závislostí:
d w nw
[m.mm-1]
1000
vw
dw – průměr brousicího kotouče [mm],
nw – frekvence otáčení obrobku [min-1].
Poměr rychlosti qs je dán poměrem mezi řeznou rychlostí a posunovou rychlostí. Při broušení do
kulata qs = 60 vc / vw [-] a při rovinném broušení qs = 60 vc / vft [-].
Axiální rychlost posuvu stolu vfa je dána vztahem:
vfa = fa . nw [m.min-1]
fa – axiální posuv stolu [m],
nw – frekvence otáčení obrobku [min-1].
Stykový oblouk brousicího kotouče a obrobku se kvantifikuje jako geometrická délka styku lg,
kinematická délka styku lk a skutečná délka styku le.
Pro běţné podmínky obvodového broušení je geometrická délka styku:
lg
2 f r req
fr – radiální posuv stolu [m],
req – ekvivalent poloměru brousicího kotouče [mm].
Ekvivalent poloměru brousicího kotouče req vyjadřuje poloměr fiktivního brousicího kotouče v
záběru s obrobkem, který má stejnou délku geometrického styku lg jako brousicí kotouč s
poloměrem rs v záběru s obrobkem o poloměru rw při obvodovém broušení.
Hodnota reg se vyjádří ve tvaru:
rw rs
[mm]
rw rs
reg
Ve vztahu ekvivalentu poloměru brousicího kotouče reg se pro vnější broušení do kulata pouţije
znaménko plus a pro vnitřní broušení do kulata znaménko minus.
Kinematická délka styku lk se vyjádří dle:
lk
1
q – absolutní hodnota poměru rychlostí.
19
1
q
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:
Rm [MPa]
(teoretická)
Třída
obrobitelnosti
Ocel DIN
1.7225
350HB
(38-40HRC)
1150
9b
Ocel DIN
1.7225 500600HB
(50-57HRC)
(1800)
-
Ocel DIN
1.1231
aţ 700HB
(61HRC)
(2500)
-
Materiál
Materiál
nástroje
P25
(TP2500)
H10-H15
(TH1500)
CBN
(CBN160C)
vc
[m.min-1]
f
[mm.ot-1]
ap
[mm]
330
0.3
0.5
150
0.15
0.5
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= CFc * apxFc * fyFc
pro oceli pevnost 1100 aţ 1200MPa: CFc = 2720, xFc = 1, yFc = 0.75
Fc = 2720 * 0.5 * 0.30.75 = 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 * γo) / hmc , 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) / 0.29960.22 = 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 γo = -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 κr = 90°, D = 80, z = 6, maximální počet zubů v záběru 3, ap = 0.5 / 14 mm,
φ1 = 45°, doporučené posuvy na zub fz = 0,10 aţ 0,15 mm vc = 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:
fz [mm.z-1]
vc [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 * γo) / hmmc , Fc = kc * s
hm = sin κr * 360 * fz * ae / (Π * D * φ), hmi=fz * sin φi
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) / 0.0750.24 = 3910 MPa, Kc2 = 2000 * (1 - 0.01*-5) / 0.150.24 = 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
∑Fcx [N] = 0,87 * Fc1 + Fc2 + 0,5 * Fc3 = 127.5 + 248.3 + 73.3 = 449.1 N
Součet řezných sil v ose y
∑Fcy [N] = -0,5 * Fc1 + 0 * Fc2 + 0,87 * Fc3 = -73.3 + 0 + 127,5 = 54.2 N
Materiál:
Rm [MPa]
Kc1,2,3 [MPa]
∑Fcx [N]
∑Fcy [N]
DIN 1.7225
(40HCR)
1150
3910, 3311, 3910
449.1
54.2
DIN 1.7225
(55HRC)
(1800)
5383, 4622, 5383
676
128.4
DIN 1.1231
(61HRC)
(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), Ra = 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:
vc = 35 m.s-1
ap = 0,02 mm pro měkký stav (tvrdost 300 HB)
ap = 0,01 mm pro zušlechtěný a kalený stav (tvrdost 500 aţ 600 HB)
fot = pro hrubování 2/3 šířky brousicího kotouče
fot = pro dokončování 1/3 šířky brousicího kotouče
Poměr rychlostí:
qs = 60 aţ 80 pro hrubování,
qs = 80 aţ 120 pro dokončování.
Ocel DIN 1.1231 - Uhlíková ocel na pružiny
Tvrdost 600 aţ 700 HB uhlíková ocel na pruţiny, Ra = 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:
vc = 35 m.s-1
ap = 0,01 mm pro zušlechtěný a kalený stav (tvrdost 600 aţ 700 HB)
fot = pro hrubování 2/3 šířky brousicího kotouče
fot = pro dokončování 1/3 šířky brousicího kotouče
Poměr rychlostí:
qs = 60 aţ 80 pro hrubování,
qs = 80 aţ 120 pro dokončování.
25
Střední průřez odebíraného materiálu:
As = vo * ap * fot / (60 * vc) [mm2]
Materiál:
DIN 1.7225
(40HCR)
DIN 1.1231
(61HRC)
vc [ms-1]
vo [m.min-1]
ap [mm]
fot [mm.ot-1]
As [mm2]
35
30
0.01
16
0.0023
35
21
0.01
16
0.0016
Výpočet řezné síly:
Fc = Kc * As
Kde se je ekvivalentní průřez třísky a Kc měrná řezná síla pro broušení.
Ekvivalentní průřez:
Materiál
DIN 1.7225 (40HCR)
DIN 1.1231 (61HRC)
Fc [N]
46
64
Kc [MPa]
(20 000MPa)
(40 000MPa)
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:
soustruţení
frézování
broušení
Q [cm3.min-1]
7
21
5.6
Js [N. μm-1]
1.2-3
17-85
1.6-3
Pc [kW]
3
7.5
<0.1
L [mm]
150
200
300
Ceny nástrojů
3500Kč
32000Kč
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 γo = -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 978354-0491-316.
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 80214-3068-0.
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
Download

Zpráva obrábění