3 OBRÁBĚNÍ KOVOVÝCH MATERIÁLŮ

Kovové materiály se všeobecně obtížně obrábějí – některé jsou obrobitelné lépe, jiné jsou obrobitelné hůře. Převážnou většinu materiálů obrobků však v současné době lze obrábět různými způsoby a za všech možných pracovních podmínek bez větších obtíží. Technologie obrábění se v dnešní době vyvinula ve „vědu“ kde pečlivě konstruované břity a každému danému způsobu obrábění přizpůsobené řezné materiály zaručují rovněž předem přesně vypočítané výsledky[1].

3.1 Základy procesu řezání

Problémy obrábění se v dnešní době zredukovaly téměř výhradně na utváření třísky. I když v prvé řadě jde o dosažení čisté obrobené plochy a přesných rozměrů, hraje otázka definovaného tvaru třísky zvlášť významnou roli. Obrábění je tedy záležitostí kontrolovaného odchodu třísky a v případě nutnosti lámání třísky[1]. Při procesu obrábění vzniká velké množství tepla a je třeba kontrolovaně odvádět třísku z řezné zóny právě z důvodu odvodu tepla. U klasického postupu obrábění kovového materiálu jedním břitem přetváří nástroj část materiálu obrobku a odděluje jej v podobě třísky.

Základním nástrojem pro řezání je klín, který je tvořen plochou čela a plochou hřbetu. Řada informací o procesu řezání vycházelo i z praktických zkušeností a pozorování. Jedná se o tyto skutečnosti[16]:

· rozdílné podmínky dané druhem řezaného materiálu

· různé způsoby tvoření a odcházení třísky z místa řezání, závislé na geometrických vlastnostech nástroje

· uspořádání třísky na její zadní straně svědčí o tom, že řezání představuje smykový mechanismus

· tvary třísek se mění od třísky plynulé, přes třísku zvlněnou, článkovitou až k třísce segmentované, obr. 17

· nástroj, tříska a obrobek jsou ohřáty na teplotu vyvolanou procesem řezání

Obr. 17 Tvary třísek [16]
a) plynulá, b) vlnitá, c) elementární, d) segmentovaná

3.1.1 Mechanismus 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. Pro proces obrábění jsou platné následující zákony:

· zákon stálosti objemu – před a po obrábění je objem stále stejný

· zákon nejmenšího odporu – částice kovu se během procesu pohybuje ve směru nejmenšího odporu

· zákon maximálního smykového napětí – deformace nastane teprve tehdy až smykové napětí v deformované oblasti dosáhne kritické hodnoty.

Při procesu řezání, který je provázen plastickou deformací, dochází k deformacím ve třech oblastech:

· primární plastická deformace – oblast I

· sekundární plastická deformace – povrchová vrstva mezi třískou a čelem nástroje, oblast II

· deformace v povrchové vrstvě obrobené plochy přilehlé k hřbetu nástroje, oblast III

Obr. 18 Mechanizmus utváření třísky [16]

Velikost oblasti I souvisí s řeznou rychlostí, přičemž platí, že se zvyšující se řeznou rychlostí se zužuje oblast I. Dále platí, že při zvyšování řezné rychlosti se zvětšují úhly střižné roviny Φ (obr. 19) s tím, že úhel počátku plastické deformace roste rychleji až dojde k jejich splynutí a ke vzniku třísky dochází plastickým skluzem v jediné rovině, v rovině maximálních smykových napětí, tzv. rovině střihu (SP)(obr. 20).

Úhel Φ je úhel střižné roviny, přičemž Φ0 značí počátek plastické deformace a Φ pak konec plastické deformace.

Obr. 19 Vliv úhlu Φ na délku roviny maximálních smykových napětí a na tloušťku třísky [16]

V okamžiku kdy dojde k překročení meze kluzu materiálu obrobku, nastanou pružné a plastické deformace. Materiál vpravo od roviny střihu je již tvářenou třískou s tloušťkou hDC, zatímco tloušťku vrstvy odřezávaného materiálu vlevo označuje hD[1]. Část odřezávaného materiálu, který je za rovinou střihu a „klouže“ po čele nástroje je podrobena tzv. sekundární plastické deformaci. Na nástroj se postupně navařuje část třísky a vytváří tzv. „nárustek“. Nárůstek přebírá funkci břitu, a tím značně ovlivňuje podmínky řezu, což se projeví na změně geometrie břitu (zvětšuje se poloměr ostří, zmenšuje se úhel řezu aj.). Je důležité aby nárůstky na čele nástroje byly co možná nejmenší. Při úhlu řezu menší než 50° se nárůstky nevytváří a při vysokých řezných rychlostech se snižuje možnost tvorby nárůstku a to vlivem snížení napětí mezi třískou a břitem nástroje. Nárůstky se v určité chvíli odlomí a celý proces vzniku se opakuje. Vlastní obrábění probíhá v rovině střihu která je v převážné míře určována poměrem mezi tloušťkou vrstvy odřezávaného materiálu a tloušťkou tvářené třísky.

Obr. 20 Střižná rovina utváření třísky [1]

Tvar třísky je ovlivňován převážně materiálem obrobku. Šířka pásma sahá od nejrůznějších plynulých tvarů až po třísku drobivou. Když porovnáme různé mechanické vlastnosti mezi střední uhlíkovou ocelí (nelegovanou ocelí) a ocelí legovanou, můžeme říci, že nelegovaná ocel se utváří mnohem snadněji a to na základě nižší pevnosti, která se deformací dokonce ještě sníží. Tříska utvářená při obrábění nelegované oceli má tak větší počáteční zakřivení. Utváření třísky u nelegované oceli je pak ještě snazší v případě, že zvolíme velký posuv.

3.1.2 Průřez třísky

Velikost průřezu třísky je jedním z mnoha faktorů ovlivňujících průběh obrábění a charakter namáhání nástroje. Skutečný průřez třísky se od průřezu odřezávané vrstvy liší a to z důvodu plastických deformací. Obecný vztah pro absolutní velikost průřezu třísky ASh

| (3.1)

kde: hD – jmenovitá tloušťka řezu [mm]

bD – jmenovitá šířka řezu [mm]

Φ…úhel smykové roviny [°]

V případě že budeme při výpočtu uvažovat i poloměr špičky nástroje, bude střední tloušťka třísky dána vztahem

| (3.2)

kde: lS - skutečná délka ostří v záběru

Obr. 21 Rozměr třísky při soustružení [16]

Tloušťka a šířka třísky jsou však při stejném posuvu a hloubce řezu závislé na úhlu nastavení hlavního ostří a jsou dány vztahem

| (3.3)
| (3.4)

Při pohledu na obr. 22 je zřejmé, že při stejném posuvu a hloubce řezu se bude se zvětšujícím úhlem nastavení hlavního ostří zvětšovat tloušťka třísky a naopak zmenšovat šířka třísky.

Obr. 22 Rozměr třísky při různém úhlu nastavení hlavního ostří [2]

3.1.3 Pěchování třísky

Největší podíl na deformaci třísky má oblast primárních plastických deformací. Tvar a velikost této oblasti jsou závislé na vlastnostech obráběného materiálu, geometrii břitu, řezných podmínkách a na řezném prostředí.

V důsledku plastických deformací v oblasti primární plastické deformace dochází k pěchování třísky při jejím odchodu ze zóny řezání. Rozměry průřezu odcházející třísky jsou vždy větší než rozměry průřezu odřezávané vrstvy a délka třísky je naopak menší než délka odřezávané vrstvy. U ortogonálního řezání lze vycházet z rovnosti objemů odřezávané vrstvy a vzniklé třísky za jednotku času:

| (3.5)

kde: AD – jmenovitá plocha řezu [mm2]

ADc – plocha průřezu třísky [mm2]

vc – řezná rychlost [m.min-1]

vt – rychlost třísky [m.min-1]

Obr. 23 Pěchování třísky [18]

Součinitel pěchování třísky kh slouží k posouzení intenzity primární plastické deformace při obrábění. Jeho velikost vyjádříme na základě vztahu 3.6:

| (3.6)

přičemž platí

| (3.7)
| (3.8)

kde: bDc – šířka třísky [mm]

hDc – tloušťka třísky [mm]

Vzhledem k tomu, že z praktického hlediska platí vztah

, | (3.9)

lze součinitel pěchování třísky vyjádřit vztahem

. | (3.10)

Hodnotu hDc jsme schopni změřit například mikrometrem přímo na utvořené třísce.

Objemový součinitel třísek

Bezprostředně po opuštění prostoru vzniku třísky, musí tříska nabývat určitého tvaru a rozměrů. Vždy se snažíme o to, aby třísky zaujímaly co nejmenší objem a to z důvodu manipulovatelnosti s třískou při odstraňování z pracovního prostoru stroje. Zejména pak v automatizovaných výrobních systémech dbáme na tento požadavek.

K vyjádření velikosti objemu, který třísky zaujímají, se zavádí tzv. objemový součinitel třísek KV0. Je to poměr objemu třísek při jejich hromadění Vt k objemu, který zaujímal odřezávaný materiál před obráběním Vm. Objemový součinitel je vyjádřen následujícím vztahem:

> | (3.11)

Tříska zaujímá při špatné geometrii břitu a nepříznivých řezných podmínkách velký objem, což vede k ohrožení plynulosti práce a tříska se z obráběcího stroje špatně odstraňuje. Co nejmenšího objemu dosáhneme například změnou geometrie břitu a řezných podmínek, volbou vhodného materiálu s tendencí tvořit drobivou třísku, či použití utvářečů třísek (platí pro nástroje s vyměnitelnými břitovými destičkami).

3.1.4 Základní tvary třísek

Tvar třísky je důležitým faktorem efektivního a bezpečného obrábění. Tvar třísky závisí na mnoha faktorech, zejména pak na těchto:

· vlastnosti obráběného materiálu

· geometrie nástroje

· tribologie rozhraní tříska-nástroj

· řezné podmínky, zejména řezná a posuvová rychlost

Na obrázku 24 je uvedeno základní rozdělení třísek. Třísky můžou nabývat různých tvarů – vinuté, smotané, krátké, dlouhé až po elementární segmentové, drobivé atd. Pro praxi je z hlediska výrobních procesů a bezpečnosti práce nejžádanější tříska krátká, dělená.

Obr. 24 Základní rozdělení druhů třísek [18]

3.1.5 Řezné síly na nástroji

Obrábění kovů vyžaduje značné vynaložení síly na oddělení třísky od obrobku. Znalosti v oblasti řezných sil vedou k vyváženému řezání, zejména s ohledem na pozitivní průběh obrábění a stabilitu břitu. Z hlediska průřezu třísky v místě řezu existuje ve vztahu k rovině střihu rovnováha sil. Síly působící na obrobek a třísku podél roviny střihu a síly mezi čelem a třískou jsou v podstatě stejně velké. Obrázek 25 znázorňuje rozdělení výsledné řezné síly F na tři jednotlivé složky[1]:

Fc – řezná síla

Fp – pasivní síla

Ff – posuvová síla

Podélné soustružení [13] | Zapichování[14]
Obr. 25 Řezné síly působící na nástroj

Jednotlivé složky výsledné řezné síly F jsou dány empirickými vztahy:

| (3.12)
| (3.13)
| (3.14)

Výslednou složku řezné síly lze vypočítat ze vztahu:

| (3.15)

Exponenty xFc, xFp, xFf, yFc, yFp, yFf, nejsou stejně jako konstanty CFc, CFp, CFf fyzikálními veličinami, nýbrž byli stanoveny experimentem při daných řezných podmínkách. Tabulkové hodnoty těchto konstant se pohybují v rozmezí 0,4–1,3. V praxi je možné řezné síly teoreticky vypočítat pomocí výše uvedených vztahů. K přesnějšímu měření řezných sil používáme dynamometry.

Při operaci upichování rotuje obrobek a nástroj koná přímočarý posuvný pohyb. Stejně jako při čelním soustružení se nástroj pohybuje ve směru od obvodu obrobku k jeho ose, přičemž řezná rychlost klesá na nulu. Průměr obrobku se zmenšuje, až se obrobek pod vlivem posuvové složky řezné síly Ff odlomí dříve, než může nástroj dokončit úplné upíchnutí. Výstupek který zůstane na čele obrobku lze vhodnou geometrií břitu, změnou posuvu, nebo podepřením oddělované části zmenšit[1].

Při upichování je velikost složek celkové řezné síly zejména ovlivňována geometrií břitu. Pozitivní úhel čela má za následek malé řezné síly. Se zmenšující se pasivní silou Fp se zmenšuje zbytkový výstupek po upíchnutí. Úhel nastaveni hlavního ostří κr může mít různou velikost. U rovných, nebo tzv. neutrálních vyměnitelných břitových destiček je úhel nastavení hlavního ostří nulový (obr. 26). Se zvětšujícím se úhlem nastavení hlavního ostří se zvětšuje pasivní složka řezné síly Fp a destička je vytlačována celkovou řeznou silou do strany. Při velkém úhlu nastavení hlavního ostří může tato skutečnost vést až k tomu, že obrobená plocha čela je buďto konvexní nebo konkávní.

Obr. 26 Vliv úhlu nastavení hlavního ostří na složky celkové řezné síly [1]

Můžeme shrnout, že poměr velikosti složek řezné síly značně kolísa podle způsobu obrábění. Tangenciální síly jsou dominující zejména při frézování a soustružení. Radiální síla je důležitá při obrábění vnitřních ploch a axiální složka řezné síly je důležitá při vrtání[1].

Měření řezných sil

K měření makroskopických řezných sil používáme dynamometry. Existuje řada dynamometrů jako mechanický, pneumatický, hydraulický, uhlíkové, indukční aj. Mezi nejčastěji používané patří piezoelektrické dynamometry firmy Kistler, které můžou být jak třísložkové, tak čtyřsložkové. Pomocí nábojových zesilovačů a vhodného softwaru jsme schopni zaznamenat řezné síly v PC.

Obr. 27 Schéma měření pomocí piezoelektrické soustavy Kistler [25]

3.2 Faktory ovlivňující utváření třísky

Při obrábění existuje množství faktorů ovlivňujících, ať už pozitivně či negativně, utváření třísky. Tyto faktory mají svůj význam jedná –li se o správné utváření třísky, nebo-li o tzv. „kontrolovaný odchod třísky“ za různých řezných podmínek. Mezi tyto faktory patří například řezné síly, geometrie nástroje, pevnost nástroje, teploty, vibrace. Další nemalou roli ovlivňující utváření třísky zde hraje materiál obrobku, druh, pevnost, tvrdost, stav, tvar a velikost – všechny tyto složky se projeví na utváření třísky.

3.2.1 Geometrie nástroje

Pro hodnocení geometrického uspořádání ploch na nástrojích dnes používáme mezinárodní normu ČSN 22 0011, ISO 3002/1-77. Základní charakteristikou této normy je pravoúhlý souřadnicový systém, který definuje jednotlivé souřadnicové roviny ve vztahu k rovině základní a jednotlivým plochám na nástroji[18].

Obr. 28 Základní geometrie VBD [18]

Čelo Aγ – plocha, po které odchází tříska

Hřbet (Aα, Aα‘) – plocha, nebo souhrn ploch, které při řezném procesu směřují k ploše obrobku. Hlavní hřbet Aα směřuje k přechodové ploše obrobku, vedlejší hřbet Aα‘ směřuje k obrobené ploše obrobku

Ostří – prvek řezné části nástroje, kterým se realizuje vlastní proces řezání

Hlavní ostří S je část ostří, která začíná v bodě, kde nástrojový úhel nastavení hlavního ostří κr, je rovný nule a která má sloužit k vytvoření přechodové plochy na obrobku.

Vedlejší ostří S‘ je část ostří, kde nástrojový úhel nastavení ostří κr je ve směru od hlavního ostří rovný nule.

Volba nástrojových úhlů je v největší míře ovlivňována fyzikálními a mechanickými vlastnostmi, vlastnostmi nástrojového materiálu, řeznými podmínkami a požadovanou strukturou povrchu obrobku[18].

Obr.29 Nástrojová geometrie soustružnického nože [18]

Významnou roli při utváření třísky hraje při obrábění úhel nastavení hlavního a vedlejšího ostří, obr. 30. Úhel nastavení hlavního ostří ovlivňuje utváření třísky tím, že se tloušťka třísky se zmenšováním úhlu snižuje a šířka třísky narůstá. Utváření třísky je snazší a hladší, je-li úhel nastavení menší (60° - 45°). Proces obrábění s úhlem nastavení hlavního ostří 90° (obr. 30 A) se ukázal jako vhodný pouze pro několik málo operací, jako např. čelní a podélné soustružení. Ve většině případů neprobíhá proces obrábění ortogonálně, ale pod určitým úhlem vůči břitu. Tím se do značné míry mění geometrické podmínky a tím rovněž i směr odchodu třísky. Vznikají tak, mimo klasických tvarů třísky v podobě spirály, i jiné varianty tvarů jako článkovité třísky a třísky ve tvaru šroubovice. Dále zejména úhel nastavení vedlejšího ostří κr‘ ovlivňuje strukturu povrchu obrobku, úhel hlavního ostří pak složky řezné síly, konkrétně poměr posuvové a pasivní síly Ff:Fp.

Obr. 30 Proces obrábění s úhlem nastavení hlavního ostří 90° a 45° [1]

Na směr odchodu třísky má podstatný vliv nástrojový úhel sklonu hlavního ostří λs. Pokud je úhel kladný, znamená to že tříska odchází směrem od obrobku, naopak pokud je záporný, tříska odchází směrem k obrobku. Hodnoty úhlu se pohybují běžně v rozsahu -6° až +6°.

Tvar a směr odchodu třísek se rovněž mění se změnou poloměru špičky břitu[1]. Poloměr špičky břitu je důležitou částí geometrie. Tak jak ovlivňuje směr odchodu třísky úhel nastavení hlavního ostří, stejně působí i poloměr špičky společně s hloubkou řezu. Malá hloubka řezu má za následek kapkovitý tvar třísky s malým úhlem směrem k břitu. U větších hloubek řezu hraje poloměr špičky menší roli, než úhel nastavení, který je směrodatný pro spirálovitou třísku, jejíž spirála směřuje ven (obr. 31). Rovněž velikost posuvu se projevuje v šířce průřezu třísky a působí také na samotný odchod třísky.

Obr. 31 Ovlivnění směru odchodu třísky změnou poloměru špičky / hloubky řezu [1]

Samotné utváření třísky začíná počínajícím zakřivením při zářezu nástroje a je dále závislé na kombinaci řezných podmínek, zvláště posuvu a hloubky řezu, úhlech břitu, na druhu a vlastnostech materiálu obrobku a rovněž na velikosti poloměru špičky. Jakmile dojde k překročení velikosti posuvu nad přípustnou míru, určenou geometrií břitu, přeskočí jednoduše tříska utvářeč a vytváří tvary, jako by se jednalo o obrábění hladkými negativními vyměnitelnými břitovými destičkami, namísto použitých pozitivních geometrií s kontrolovaným odchodem třísky[1].

Třísky článkovité, nebo ve tvaru krátkých šroubovic jsou právě těmi třískami, které by měli být vytvářeny břitem provedeným podle nejnovějšího stavu techniky. Zakřivení, směr, stoupání šroubovice a tvar třísky lze nyní ovlivnit konstrukcí geometrie břitu. Každá vyměnitelná břitová destička je vybavena geometrií, která v rozsahu stanovené oblasti posuvu a hloubky řezu zajišťuje u přiřazených materiálů obrobku kontrolovaný odchod třísky. Destička pro dokončování, u které je v záběru hlavně poloměr špičky, musí být kladen důraz zejména na jasné stanovení geometrie špičky břitu, naopak u hrubovací destičky je pak důležitá geometrie čela.

3.2.2 Řezné podmínky

Řezné podmínky ovlivňují velikost a tvar třísky přímo, přičemž posuv a hloubka řezu se projeví ve větší míře než řezná rychlost.

Na obr.32 a obr.33 je zobrazena závislost utváření třísky na hloubce řezu ap na posuvu f. Třísky ležící mimo tuto oblast se vyskytují buďto jako dlouhé, tenké chomáče, nebo v podobě tlustých přelámaných článků.

Obr. 32 Funkční diagram utváření třísky [1]

Obr. 33 Tvary třísek v závislosti na ap a f [1]

3.2.3 Utvářeče třísek

Velmi vhodným a mnohdy jediným způsobem jak zmenšit objemový součinitel třísek jsou lamače a utvářeče třísek. Provedení utvářečů třísek rozhoduje o schopnosti účinně ovlivňovat tvar třísky při různých rychlostech posuvu. Některá provedení omezují použití břitu na malou oblast pro malé posuvy a hloubky řezů, jiné disponují celou paletou možností utváření třísky. Utvářeč třísky na poloměru špičky může vést také nejmenší třísky, zatímco při vyšších posuvech nejprve přejímá funkci utvářeče hlavní břit a poté u těžkých řezů přejímá funkci utvářeč třísky na čele.

U nožů s pájenými plátky se dociluje oddělení (lámání) třísky právě vybroušením lamačů na čele ve stupňovitém tvaru podél hlavního ostří. U nožů s vyměnitelnými břitovými destičkami se třísky utvářejí příložnými lamači nebo lamači předlisovanými na břitové destičce. Hloubka a šířka lamače se volí podle velikosti nože a podle zkušeností. Zadní hrana lamače může svírat s břitem úhel, který bývá v rozmezí 5° - 15° a ovlivňuje směr odchodu třísky. Lamač třísky se vybrušuje brousícím kotoučem do nástroje. Nejběžnější lamače třísky jsou stupínkové a žlábkové. Rozměry stupínku i žlábku jsou stanoveny v závislosti na posuvu, hloubce řezu a na jakosti obráběného materiálu. Hospodárnějším (nenarušujeme čelo břitu) a univerzálnějším způsobem jsou stavitelné lamače třísek, kterých je mnoho konstrukcí.

Zvlášť důležitou pozornost volbě vhodného utvářeče musíme věnovat u automatických a programově řízených obráběcích strojů. Třísky se v žádném případě nesmí namotávat na obrobek a tím znesnadňovat obráběcí proces.

Určitý typ utvářeče utváří (láme třísku) pouze v určitém rozmezí posuvu a hloubky řezu. Minimální posuv, při kterém začíná utvářeč fungovat, je závislý především na šířce stabilizační fazetky x a na jejím úhlu γx. Maximální posuv při kterém končí funkce utvářeče je závislý u žlábkového utvářeče na vzdálenosti výstupní hrany žlábku od ostří b‘ a na hloubce žlábku h (obr.34)[22].

a) tloušťka odřezávané vrstvy a je výrazně menší než šířka fazetky x, dochází ke kontaktu třísky jen na fazetce a tříska tudíž nemůže být utvářena | b) použijeme-li větší tloušťku odebírané vrstvy a, přičemž x < a, tříska vniká do utvářeče a je jím utvářena – zakřivena pod určitým poloměrem R
Obr. 34 Závislost utváření třísky na geometrii utvářeče [22]

Lámání třísky

Existují rozdílné druhy lomu třísky:

· samočinný lom

· lom třísky na nástroji

· lom třísky při nárazu na obrobek

Obr. 35 Tři způsoby lomu třísky [1] – A) samočinný lom, B) lom třísky na nástroji, C) lom třísky při nárazu na obrobek

Všechny tyto tři alternativy mají svoje výhody a nevýhody. U samočinného lomu hraje rozhodující roli nutnost nalezení správného směru odchodu třísky. V případě lomu třísky na nástroji jsou příčinou kladivovým efektem vyvolaná vysoká zatížení v oblasti břitu[1]. Nekontrolovanému odchodu třísky je nutné zabránit, protože může vést k lomu nástroje, ke špatným výsledkům obrábění, ke vzniku prostojů a poranění obsluhy stroje. K tomu nám slouží právě utvářeče třísky.

U materiálů s krátkou třískou vyžadujeme malou a nebo vůbec žádnou pomoc v podobě utvářeče třísky. Naopak u materiálů vytvářejících dlouhou třísku vyžadujeme utvářeče třísky, které jsou při slinování vytvarovány přímo do čela VBD a které třísky vhodným způsobem usměrňují a nakonec i lámou. Počáteční zakřivení třísky ve většině případů nestačí k odlomení třísky v požadovaných délkách. Lamač třísek ve své nejjednodušší podobě je překážkou vestavěnou do směru odchodu třísky. Tento hrubý způsob má celou řadu nevýhod a působí velmi nepříznivě na výkon stroje. Moderní vyměnitelná břitová destička disponuje komplexní kombinací úhlů, ploch a rádiusů, čímž je umožněno ovlivňovat utváření třísky samotné, ale také kontaktní délku, lom třísky atd.