3.15 OBRÁBĚNÍ

Základní pojmy

Obrábění
Technologický proces, při kterém se odstraňuje přebytečný materiál z obrobku ve formě třísek břitem řezného nástroje
Obrábí se nejčastěji v soustavě:stroj - nástroj - obrobek

Obrobek
Označuje se tak již obrobenýnebo částečně obrobený předmět ( materiál)
Polotovar:Materiál, který se bude teprve obrábět
Obráběná plocha:Část povrchu obrobku, ze které je odebírán materiál
Obrobená plocha:Plocha vzniklá obráběním
Řezná rovina:Plocha vznikající těsně za břitem nástroje

Řezný nástroj
Aktivní prvek obrábění

Břit: Činná část řezného nástroje
Má tvar klínu, který je ohraničen plochami čela (po něm odchází tříska)a hřbetu

Ostří:Průsečnice ploch čela a hřebu
Kromě hlavního ostří je na nástroji i ostří vedlejší

Stopka nástroje:Část za kterou se upíná do stroje
- Obdélníkový nebo čtvercový průřez:Soustružnické, obrážecí nože
- Kruhový, kuželový:vrtáky, frézy

Úhly břitů nástrojů

Geometrie břitu

Ovlivňuje práci nástroje z hlediska:
Velikosti řezných sil
Drsnost a přesnost obrobených ploch
Trvanlivost břitu
Hospodárnost obrábění

Aby při využívání nástroje nedocházelo ke ztrátám, je při jeho konstrukci nástroje a ještě víc při jeho ostření nutná dokonalá znalost geometrie břitu a jeho vliv na obrábění

Určování velikostí úhlů a geometrie břitů lze provádět:
Početně
Graficky
Graficko-početní (břitové monogramy/diagramy)

Břitové monogramy
Použití:Prosnadné a rychlé řešení geometrie břitů bez výpočtů
Nevýhoda:Menší přesnost, ale dostatečná pro běžné nástroje

Vznik třísky

Odebírání třísky se děje v několika etapách:
Tlakem nástroje se nejprve obráběný materiál na čelní ploše břitu pěchuje
Vlivem řezné síly vznikají v materiálu značná napětí, která překonávají vnitřní síly soudržnosti a odporu materiálu až se břitem vytvoří trhlinka ve směru působení řezné síly
Při dalším pohybu nástroje se stlačené částečky na čelní ploše nadzvednou, klouzají po čelní ploše břitu a jsou čelem nástroje odtrženy a odvedeny jako tříska

Druhy třísek:

Drobivá
Krátké, nesoudržné
Vznikají u křehkých materiálů (např. šedá litina, automatová ocel - má vysoký obsah síry a fosforu), měď, mosaz, bronz, slévárenské slitiny z lehkých kovů
U houževnatých materiálů jen při nepříznivých podmínkách při obrábění

Dělená
Vznikají jednotlivě, zcela oddělené části třísek se spojí
Na čelní straně nože je hladká a na své vnější straně je nápadně členitá, pilovitá

Plynulá
Tvoří se u materiálů, které jsou dobře plasticky deformovatelné (skoro všechny oceli)
Na obráběcích strojích musí být "lamače třísek"
Materiály s dlouhýma tříska jsou např. ocel, ocelolitina, temperovaná litina, hliníkové slitiny

Drsnost obrobené plochy

Určená stopami, která zanechá břit nástroje

Kromě mechanických a fyzikálních vlastností materiálu má na ní vliv:

a) Tvar a geometrie břitu

b) Velikost posuvu

Největší vliv
Čím jevětší posuvtím se úměrně zhoršuje drsnost
Ruční posuvje nerovnoměrný -> povrch nemusí být kvalitní
Větší cit v ruce (rukách) budeme mít, když uchopíme kličku (kolo) oběma rukama

c) Řezná rychlost
Menší vliv než rychlost posuvu
Při menších řezných rychlostech je drsnost větší, protože se tvoří nárůstek

d) Tuhost soustavy stroj - nástroj - obrobek
Malá tuhost vyvolává chvění
Chvění se dá omezit:
- Pevným upnutím obrobku
- Co nejmenším vyložením nástroje
- Zvětšení úhlu ostří c(čela)
- Změnou řezné rychlosti
- Zvětšením posuvu

e) Řezné prostředí
Projeví se příznivě při použití prostředků (řezné kapaliny) s mazacími účinky při,
Obrábění na čisto
Při malých řezných rychlostech
protože se omezuje tvoření nárůstku a tření na ploše řezu

Řezná rychlost a otáčky

Velikost se řídí dle:
Materiálu obrobku
Materiálu nástroje (rychlořezná ocel, slinutý karbid))
Velikostí posuvu (kvalita povrchu, hrubování, hlazení)
Trvanlivosti břitu nástroje
Druh chlazení a mazání
Přesnost a tuhost obrábějícího stroje

Optimální hodnotu(mezi nejkratší dobou obrábění a dostatečně dlouhou trvanlivostí břitů byla zjištěna pokusy) lze najít v tabulkách

Otáčky se odvozují z řezné rychlosti

Volba optimálních řezných podmínek

Výpočtem (dnes převážně za pomoci výpočetní techniky)
Ze Strojnických tabulek
Z normativů
Experimentálně

Tepelná bilance

Ke vzniku tepla dochází při obrábění přeměnou dílčích prací v jednotlivých místech:
V oblasti primárních deformacích
Na styčné ploše čela
Na styčné ploše hřbetu

Celkové množství tepla se určí ze vztahu:

Celkové teplo je při obrábění odváděno:
Třískou (z velké části)
Obrobkem
Nástrojem
Do okolí

Podíl jednotlivých složek odvádění tepla je závislý: Na
Tepelné vodivosti materiálů obrobku a nástroje
Řezných podmínkách (nejvíc na řezné rychlosti)
Řezném prostředí a způsobu chlazení a mazání
Geometrii břitu nástroje

Teplota řezání

Vývin tepla při obrábění má za následek zvýšení teploty v místech zdrojů tepla a v jejich okolí -> teplota má výrazný vliv na břit nástroje-> otupování
Teplota na čele nástroje jsou o 50 až 100% větší než na hřbetě
Největší teplota není na špičce, ale je vlivem poloměru špičky posunuto dozadu

Kde je nejvyšší teplota, tam je největší opotřebení
Zjišťování teplotního pole(teplot v jednotlivých místech sledované plochy) je velmi náročné-> Určuje se pouze střední teplota styčné plochy čelas třískou a nazývá se teplotou řezání
Přípustné mezní hodnoty teploty řezání jsou závislé na odolnosti použitého materiálu nástroje

Překročením mezní teploty se rychle snižuje tvrdost břitu-> nástroj ztrácí řezné schopnosti -> prudce vzrůstá jeho opotřebení
Znalost teplotního pole a teploty obrobku je důležitá:
- K rozměrové a tvarové přesnosti obrobku
- Při obrábění na čisto (zejména při broušení)

Chlazení a mazání pří obrábění

Při obrábění řeznými nástroji (vrtání, soustružení, frézování, broušení) vzniká mezi nástrojem a obrobkem tření -> teplo.
Jen malá část tepla se odvádí třískami -> Zbývající teplo musí přijmout nástroj a obrobek

Nepříznivý vliv tření a tepla, lze snížit volbou vhodného řezného prostředí
Při vysoké řezné rychlosti by ti vedlo k:
- Prodlužování a průhybu obrobku
- Vysokému opotřebení ostří nástroje(zaoblení břitové hrany, opotřebení hřbetní a čelní strany nože)

Řezné prostředíkromě okolního vzduchu může být:
Řezné kapaliny
Mlhoviny
Některé plyny



Petrolej jako řezná kapalina není ze zdravotních důvodů přípustný!

Úkolem řezného prostředí:
Odvádět teplo z oblasti jeho tvoření
Snížit práci vlivem tření
Snížit intenzitu otupování nástroje
Zlepšit jako obrobené plochy
Odvádět třísky z místa řezu

Řezné prostředí má účinky:
Chladící:
Snižuje teplotu a opotřebení nástroje u rychlořezných ocelí až o pětinu (oproti obrábění na suchu) Mazací:
Snížení tření na činných plochách
Usnadňuje plastickou deformaci třísky -> Snížení řezného odporu o 25% (u malých třísek i víc)
Zlepšení jakosti obrobené plochy

Některé tvrdé řezné materiály(zejména cermety s několikavrstvým povlakem) mohou pracovat i za sucha s řeznými rychlostmi až 900 m/min při vysoké jakosti povrchu!

Tvoření nárůstku

Třením třísky na čele nástroje se zoxidovaná vrstva setře a dalším působením vysokých tlaků i vysokých teplot se v místě styku uplatňují adhezní síly -> Navaření třísky k čelu nástroje
Další pohyb třísky je možný, dojde-li k porušení soudržnosti materiálu třísky

Nárůstek- Část třísky, která zůstala navařena na čele nástroje
Vyznačuje se vysokou pevností(materiál byl dále sekundárně tvářen) a tvrdostí
Tvrdost je 2 až 5x větší než tvrdost třísky -> nárůstek může převzít funkci břitu
Jak přibývají jednotlivé vrstvy nárůstku se zmenšuje úhel řezu d-> zvětšuje se poloměr zaoblení -> Zvětšení tloušťky odřezávané vrstvy -> Větší deformace obráběné plochy
Stabilní část nárůstku chrání břit před otěrem -> větší opotřebení nástroje následkem vylámání ostří
Nejvíc se tvoří v rozsahu teplot 300 až 400°C
Nad 600°C se již netvoří
Tvorba se omezuje mazáním

Nárůstek se odtrhne (většinou jen jeho část) při porušení rovnováhy sil
Pokud se odtrhne celý, pak většinou i s částí břitu nástroje
Po otržení nárůstku se celý děj opakuje 100 až 100x za sekundu

Opotřebení břitu nástroje

Pod pojmem opotřebení (otupení) se rozumí proces, při kterém se:
Zvětšuje poloměr zaoblení ostří r
Zhoršení drsnosti plochy čela a hřbetu v místech styku s třískou a plochou řezu
Postupně se mění geometrie břitu

K opotřebení dochází:
Otěrem stykových ploch - dochází jednotlivým nebo současným působením abraze, adheze, difuze
Plastickou deformací povrchových vrstev břitu
Narušením ostří křehkými lomy

Abrazivní otěr
Způsobují tvrdé částice struktury obráběného materiálu (např. cementit), jejichž tvrdost je vyšší než některé částice struktury břitu nástroje (např. u kobaltu u slinutých karbidů) i když celkově podstatně tvrdšího materiálu

Adhezní otěr
Vzniká působením vysokých místních tlaků vlivem nerovností pracovních ploch břitu
Vznikají bodové mikrosvary podobně jako při tvoření nárůstku
Je-li mez pevnosti ve smyku některé strukturní složky obráběného materiálu větší než má materiál nástroje, dochází k porušení a úbytku materiálu nástroje
Uplatňuje se u nástrojových ocelí

Difuzní otěr
Vzniká při dosažení disociační teploty(při které se struktura kovů rozpadá na atomy, které jsou potom schopné difuze)
Difundující atomy vnikající do mřížky kovu nástroje vytvářejí nové tuhé roztoky nebo chemické vazby
Vlastnosti nové struktury jsou vždy horší než původní struktura -> vznik defektní vrstvy o menší pevnosti, která se stírá
K jevu dochází při obrábění slinutými karbidy nebo keramickými řeznými materiály

Plastická deformace
Uplatňuje se při obrábění měkkých materiálů (dřeva, plastů, kůže)
Vlivem malé tepelné vodivosti obráběného materiálu se hromadí teplo v nástroji, které spolu s tlakem vyvolává plastický stav povrchových vrstev břitu
K opotřebování dochází plynulým přemisťováním plasticky deformované vrstvy materiálu
Extrémní formou je lavinový otěr, který vzniká výhradně na hřbetu nástroje

Křehké lomy
Nejčastěji se vyskytují u slinutých karbidů nebo keramických řezných materiálů při:
Práci přerušovaným řezem
Přetížením břitu v ohybu
Okamžitém zvýšení řezného odporu vlivem tvrdého vměstku
Tepelným rázem
Křehký lom je podporován mikroskopickými trhlinami břitu, vznikajícími neopatrným ostřením nástroje

Vnější formy opotřebení břitu nástroje

Nejčastěji se projevuje tvořením výmolu na čelea nepravidelnou ploškou na hřbetěči méně často tvořením stupínku
Otupení na čele je nutné sledovat při hrubování, vzhledem k nákladům na ostření nástroje

Stav otupení na čele se posuzuje:Podle
- Hloubky výmolu
- Šířky výmolu

Otupení na hřbetě má vliv na přesnost obrobku při obrábění na čisto
Kritériem jsou rozměry otupení na hřbetu nástroje, neboť rozměr otupení břitu na čele nástroje nesnadno měřitelný

Opotřebení probíhá na čele i na hřbetě současně
Podle způsobu práce převažuje pouze jedno z nich
Při hrubováníse nástroj otupuje více na čele
Při obrábění a čistose nástroj otupuje víc na hřbetě
Z praktického hlediska se otupení posuzuje podle jediné veličiny

Otupení na hřbetě probíhá v závislosti na čase ve třech charakteristických úsecích
- Otupení probíhá vlivem nerovností ostří a vysokých tlaků velmi rychle
- Po vyhlazení ostří a vyrovnání tlaků na průměrné hodnoty probíhá otupení rovnoměrně
- Pod dosažení jisté meze otupení, kdy pevnost a tvrdost břitu poklesla, se intenzita otupení neustále zvětšuje a končí lavinovitým otěrem

Trvanlivost břitu nástroje

Doba po kterou nástroj pracuje od svého naostření do přípustného otupení
Základní veličina, která určuje vztah řezných podmínek k hospodárnosti obrábění
Určuje se vztahem:



CT... Součinitel trvanlivosti (konstanta) vyjadřující vliv řezných podmínek
m ... Exponent určující vliv řezné rychlosti na trvanlivost nástroje

Optimální trvanlivost je pro každý nástroj jiná:
Kratší:Při práci jednoduchými a levnými nástroji nebo na strojích nevyžadujících nákladné a dlouhotrvající seřizování
Delší:Při práci drahými a složitými nástroji a na strojích vyžadující dlouhé a složité seřizování (např. automatické výrobní linky)
Optimální trvanlivost dosahuje několik hodin

Životnost nástroje
Toto kritérium se zohledňuje u nástrojů, které se při otupení znovu naostří
Životnost je definována vztahem:

Ž = T(z+1)

Ž ... Životnost
T ... Trvanlivost ostří
z ... Počet ostření, které nástroj snese

Práce při řezání a její složky

Při řezání se musí vyložit jisté množství práce:

¨

Práce plastických deformací
Vynakládá se na plastickou deformaci obráběného materiálu
Dosahuje až 80% celkové řezací práce
Základní složka řezací práce

Práce elastických deformací
Spotřebovává se vlivem pružné deformace obráběného materiálu
Většinou nepřesahuje 2% celkové řezací práce

Práce tření na čele nástroje
Práce je spojená s odvodem třísky
Může dosahovat až 35% celkové práce

Pasivní deformační práce
Vynaložená na styku břitu nástroje s plochou řezu vlivem nedokonalého poloměru ostří
Velikost je zanedbatelná

Pasivní práce tření
Vynakládá se na tření plochy hřbetu po ploše řezu
Při hrubování:Zanedbatelná
Při obrábění na čisto:Až desítky procent

Určit jednotlivé složky je nesnadné
Celková řezací práce se určí ze vztahu:

F ... Výsledná řezná síla
w... Úhel, který svírá vektor řezné síly se směrem řezného pohybu
v ... Řezná rychlost
t ... Čas obrábění

Řezný odpor

Poměr mezi řeznou silou a plochy průřezu třísky

Fz ... Řezná síla
S ... Plocha třísky

Plochou průřezu třísky je myšleno vrstva materiálu před deformací

Řezný odpor závisí na:
Vlastnosti obráběného materiálu
Řezné podmínky
Geometrie břitu

Větší řezný odpor má menší průřez třísky
Větší zpevnění v oblasti primárních plastických deformací
Relativně větší pasivní odpory

Hodnoty řezného odporu se většinou zjišťují experimentálně

Orientačně lze řezný odpor zjistit ze vztahu:

Rm... Napětí na mezi pevnosti

Produktivita obrábění

NELZE hodnotitpodílem počet výrobků za čas nebo čas potřebný k výrobě výrobku neboť nelze zvyšovatřeznou rychlost, posuv, hloubku řezu
Základní podmínkou obrábění jsou minimální celkové náklady

Celkové náklady jsou součtem nákladů dílčích:
Náklady na strojní práci
Náklady na vedlejší práce
Náklady na nástroje

Pohyby při obrábění

a) Hlavní řezný pohyb

Tříska se odebírá jedné otáčce nebo při jednom zdvihu obrobku nebo nástroje
Soustružení, vrtání, frézování, broušení
- Hlavní řezný pohyb je kruhový (rotační - otáčivý)
Hoblovánía obrážení
- Pohybuje se obrobek, případně nástroj přímočaře
- Obrábění se provádí přímočarým vratným vratným pohybem
Shoduje se se základním pohybem stroje

b) Vedlejší řezný pohyb (posuvný pohyb) - posuv

Obrábění se provádí během několika otáček nebo zdvihů
Většinou je kolmý na hlavní řezný pohyb

Posuv je při:
Kruhovém hlavním řezném pohybu (např. vrtání) plynuly
Přímočarém hlavním řezném pohybu (např. obrážení) se staví po krocích

Posuvy dle orientace:
Podélný
Příčný
Kruhový

Posuvy dle způsobu pohybu:
Plynulý
Přerušovaný

Velikost posuvu lze vyjádřit:
Délka dráhy na otáčkupracovního vřetene, je-li posuv odvozen od hlavního pohybu (např. dvojzdvih smýkadla)
Délka dráhy na zub vícebřitého nástroje, je-li posuv odvozen od hlavního pohybu (např. fréza)
Rychlost posuvu v [mm.min -1], je-li nezávislý na hlavním pohybu (např. pracovní stůl frézky)

Rychlost posuvu je v porovnání hlavním řezným pohybem malá

c) Najíždění
Před obráběním se přivede nástroj i obrobek do pracovní polohy (přiblíží se natolik, aby se navzájem dotýkali)

d) Přísuv
Vzájemný pohyb nástroje a obrobku
Zpravidla kolmý na obráběnou plochu
Umožňuje nastavit hloubku řezu

e) Výsledný řezný pohyb
Při soustružení, vrtání, frézovánía broušenípůsobí hlavní řezný pohyb a posuvný současně-> vzniká složený pohyb, který se nazývá výsledný řezný pohyb
Řezná rychlost se určí ze vztahu:

D ... Průměr obrobku nebo nástroje [mm]
n ... Otáčky vřetena [min -1]

Požadavky na řezné materiály

Tvrdost při vyšších teplotách
Pevnost v tlaku, ohybu
Houževnatost
Odolnost vůči opotřebení
Chemická stálost (odolnost vůči oxidaci a difuzi)
Řezivost (schopnost udržet ostrý břit při obrábění řezáním)
Odolnost vůči změnám teploty (schopnost vydržet určité teplotní změny)

Hodnocení obrobitelnosti materiálu

Obrobitelnost materiálu

Souhrn technologických vlastností uplatňující se při vlastním řezání, např.
Chemické složení
Struktura
Způsob předchozího mechanického a tepelného zpracování
Způsob obrábění (soustružení, vrtání, frézování)
Druh materiálu břitu nástroje a jeho geometrie
Řezné podmínky a prostředí

Posouzení obrobitelnosti

Třídění materiálů podle obrobitelnosti

Upínání obrobků

Před započetím obrábění musíme obrobek ustavitdo správné polohy vůči nástroji, k tomu slouží ustavovací a opěrné plochy opěrných a ustavovacích prvků

Volba upínacích prvků:Dle
Tvaru
Rozměru
Druh obrábění

Pro zabránění změny polohy obrobku při obrábění (vlivem působení sil), musíme obrobek upnout

Nejčastěji používaná upínací zařízení:
Svěráky (strojní (sklopné-otočné), stolní)
Sklíčidla (vrtačka, soustruh)
Mezi hroty
Magneticky
Čelisti
Svěrky