SLOVENSKÁ POĽNOHOSPODÁRSKA UNIVERZITA V NITRE TECHNICKÁ FAKULTA REZNÉ TEPLOTY PRI VŔTANÍ Ladislav Czimbalík, Bc.

Transcription

1 SLOVENSKÁ POĽNOHOSPODÁRSKA UNIVERZITA V NITRE TECHNICKÁ FAKULTA REZNÉ TEPLOTY PRI VŔTANÍ 2010 Ladislav Czimbalík, Bc. 0

2 SLOVENSKÁ POĽNOHOSPODÁRSKA UNIVERZITA V NITRE TECHNICKÁ FAKULTA REZNÉ TEPLOTY PRI VŔTANÍ Diplomová práca Študijný program: Študijný odbor: Školiace pracovisko: Školiteľ: Spoľahlivosť a bezpečnosť technických systémov Kvalita produkcie Katedra kvality a strojárskych technológii Ing. Rastislav Mikuš Nitra, 2010 Ladislav Czimbalík, Bc. 1

3 Čestné vyhlásenie Podpísaný Bc. Ladislav Czimbalík vyhlasujem, že som záverečnú prácu na tému Rezné teploty pri vŕtaní vypracoval samostatne s použitím uvedenej literatúry. Som si vedomý zákonných dôsledkov v prípade, ak uvedené údaje nie sú pravdivé. V Nitre 30. apríla 2010 Bc. Ladislav Czimbalík 2

4 Poďakovanie Ďakujem Ing. Rastislavovi Mikušovi za cenné rady, pripomienky a odbornú pomoc pri písaní tejto diplomovej práce. Bc. Ladislav Czimbalík 3

5 Abstrakt CZIMBALÍK, Ladislav, Bc.: Rezné teploty pri vŕtaní. [Diplomová práca]. Slovenská poľnohospodárska univerzita v Nitre. Technická fakulta. Školiteľ: Ing. Rastislav Mikuš. Stupeň odbornej kvalifikácie : Inžinier (Ing.). Nitra, s. Diplomová práca je zameraná na hodnotenie procesu vŕtania pomocou rezných teplôt a rezných síl. Autor sa venuje popisu procesu vŕtania, tepelným a silovým účinkom v procese vŕtania, spôsobom merania reznej teploty, rezným nástrojom a popisu ich geometrie spolu s popisom progresívnych rezných nástrojov. Cieľom práce bolo popísať a zhodnotiť proces vŕtania jeho výsledok pri použití vrtákov klasickej a novej konštrukcie so zameraním sa na tepelno-mechanické účinky procesu rezania a určiť možnosti jeho aplikácie v praxi. Kľúčové slová: vŕtanie, teplota, nástroj, geometria, kvalita. Abstract CZIMBALÍK, Ladislav, Bc.: Cutting temperatures in drilling. [Diploma thesis]. Slovak University of Agriculture in Nitra. Faculty of Engineering. Lector: Ing. Rastislav Mikuš. Level of qualification: Engineer (Eng.). Nitra, p. Diploma thesis is focused on the drilling process evaluation using cutting temperatures and cutting forces. The author describes drilling process, heat and force effects in drilling process, methods of cutting temperature measurement, cutting tools and its geometry along with progressive cutting tools description. The main goal of the diploma thesis was the describe and evaluate drilling process and its result using tools with common geometry and new geometry with focus on thermal-mechanical effects of cutting process and to find its application area in practice. Key words: drilling, temperature, tool, geometry, quality. 4

6 Obsah Zoznam skratiek a značiek. 7 Úvod Prehľad súčasného stavu riešenej problematiky Obrábanie otvorov Charakteristika technológie vŕtania Rezné podmienky pri vŕtaní Silové pomery pri vŕtaní Vŕtacie nástroje Skrutkovité vrtáky Nové geometrie a konštrukčné riešenia vrtákov Teplo a teplota pri vŕtaní Činitele ovplyvňujúce reznú teplotu Meranie teploty Meranie rezných teplôt Meranie teploty termoelektrickými článkami Bezdotykové meranie teploty Meranie teploty tuhých telies Meranie povrchovej teploty tuhých telies 39 2 Cieľ práce Metodika práce Charakteristika vzoriek Charakteristika použitých rezných nástrojov Charakteristika podmienok obrábania Charakteristika meracieho zariadenia Meranie teploty Meranie rezných síl Meranie drsnosti povrchu Výsledky práce Meranie a vyhodnocovanie rezných teplôt Meranie a vyhodnocovanie rezných síl Meranie a vyhodnocovanie drsnosti povrchu 57 5

7 4.4 Vyhodnocovanie triesok Diskusia Záver Zoznam použitej literatúry 68 6

8 Zoznam skratiek a značiek π ρ c λ t λ s α o ε r γ o ϕ p ω Φ a p D f m f n F nam F o F p F z F z1, F z2,f z3 H k L L M k N n Pc Ludolfovo číslo tepelná kapacita súčiniteľ tepelnej vodivosti uhol stúpania skrutkovice uhol chrbta uhol hrotu vrtáka uhol čela stredový uhol uhol sklonu skrutkovice tok žiarenia hĺbka rezu priemer obrobku, vrtáka posuv za minútu posuv na otáčku nameraná rezná sila osová rezná sila pasívna zložka reznej sily zložka reznej sily rezná sila na hrane hĺbka tepelná vodivosť dĺžka ramena od osi vrtáka po snímač reznej sily dĺžka vodičov krútiaci moment newton otáčky počet vyvýšením 7

9 Pe Pecletovo číslo Q ch Ra Rm prietok chladiaceho média stredná aritmetická odchýlka profilu hĺbka najväčšej priehlbiny profilu Rmr nosný podiel profilu (t p ) Rp výška najväčšieho výstupku profilu Rq stredná kvadratická odchýlka profilu Rz výška nerovnosti profilu z desiatich bodov s S d S t T v c C CNC Cr Cu HB HM HSS IMS ISO/DIN IT KNB Mn MQL Ni P S SK hrúbka styková plocha prierez teplota rezná rýchlosť uhlík počítačom riadený stroj (Computer Numerical Control) chróm meď tvrdosť podľa Brinella tvrdokov (Hard Metal) rýchlorezná oceľ (High Speed Steel) integrovaný monitorovací systém medzinárodná/nemecká technická norma stupeň presnosti kubický nitrid bóru mangán mazanie minimálnym množstvom kvapaliny nikel fosfor síra spekaný karbid 8

10 STN Ti TiAlN TiCN VRD W slovenská technická norma titán nitrid titán a hliníka karbonitrid titánu vymeniteľná rezná doštička volfrám 9

11 Úvod Mnohé priemyselné odvetvia, najmä energetické strojárstvo, automobilový priemysel a iné nútia výrobcov nástrojov vyrovnávať sa s požiadavkami na zvyšovanie produktivity, obrábanie nových materiálov, nahrádzanie dokončovacích operácii presným obrábaním a obrábať aj v situáciách, ktoré boli považované za nemožné, alebo aspoň komplikované. Vŕtanie patrí medzi najčastejšie operácie obrábania. Nové konštrukčné a rezné materiály, možnosti povlakovania, súčasné výrobné a technologické požiadavky sú stálym impulzom k vývoju a inovácii vŕtacích nástrojov. Meranie veličín charakterizujúcich priebeh procesu rezania je z mnohých príčin čoraz dôležitejšie. Súčasné moderné rezné nástroje umožňujú obrábanie s vysokými reznými rýchlosťami, preto náklady na stroje a nástroje tvoriace hlavnú zložku nákladov na výrobu majú pre automatizované výrobné zariadenia strmší priebeh ako náklady na obrábanie bežným vybavením. Ďalej pri zabezpečovaní spoľahlivosti prevádzky týchto strojov je potrebné predpovedať a regulovať priebeh obrábania. Monitorovanie procesných veličín je potrebné aj pri optimalizácii rezania. Zvýšenie spoľahlivosti automatizovaných výrobných zariadení a optimalizácia rezania vedie k zlepšeniu využitia výrobného času až niekoľkonásobne. Sledovanie procesu rezania sa sústreďuje predovšetkým na nástroj a stroj. Prvým spôsobom už začiatkom minulého storočia bolo meranie príkonu stroja, resp. prúdu na elektromotore vretena. Postupne sa metódy rozšírili na všetky hlavné spôsoby obrábania a dnes predstavujú meranie sily, chvenia, teploty, akustických prejavov, sledovanie tvarovania a lámania triesok, poškodzovania nástroja, kvality povrchu a presnosti rozmerov obrobku. Dnes má sledovanie podobu integrovaných monitorovacích systémov, ktoré vychádzajú z merania výkonu motora, krútiaceho momentu na vretene, akustických signálov a reznej sily odkiaľ sú signály privádzané do riadiaceho systému stroja. Rozhodovacie systémy IMS dodávajú informácie pre diagnostikovanie stavu objektu alebo procesu a následné adaptívne riadenie procesu, napr. úpravu veličín v akčných členoch regulačných obvodov stroja (Beňo, Maňková, 2004). Pre monitorovanie procesu vŕtania je možné využiť snímanie sily, resp. krútiaceho momentu, chvenia alebo teploty. Meranie teploty pri vŕtaní je pomerne náročná oblasť, pretože ide o jeden zo spôsobov obrábania so značne uzavretou oblasťou rezania. Napriek tomu, že existuje hneď niekoľko metód, žiadna nie je použiteľná univerzálne a neposkytuje optimálne, hodnoverné alebo reprodukovateľné výsledky, prípadne je ťažko použiteľná. 10

12 Ešte výraznejšie sa náročnosť použitia existujúcich metód merania prejavuje v praxi, kde nie je možnosť náročnej úpravy nástroja alebo špeciálnej prípravy či úpravy vzoriek. Ak však uvážime, že medzi reznou teplotou a teplotou obrobku je vzťah založený na poznatkoch vzniku a prúdenia tepla, je možné monitorovať a posudzovať proces vŕtania na základe sledovania povrchovej teploty obrobku, čo je väčšinou oveľa jednoduchšie. Predkladaná práca sa zaoberá hodnotením procesu obrábania sledovaním rezných teplôt a rezných síl, ako aj kvality obrobených otvorov a vznikajúcich triesok pri použití nástroja s bežnou geometriou a nástroja s novou geometriou, s troma reznými hranami. Nástroje s vymeniteľnými reznými doštičkami alebo iné vrtáky ako skrutkovité nie je možné vždy použiť ako náhradu klasických skrutkovitých vrtákov, či už z rýchloreznej ocele alebo spekaného karbidu nielen kvôli rozmeru vŕtaného otvoru, ale napríklad aj kvôli vlastnostiam vstupnej plochy vŕtania, alebo kvôli materiálu obrobku. Na proces vŕtania majú vplyv všetky podmienky obrábania, a tak je potrebné interpretovať aj výsledky tejto práce vo vzťahu na použité parametre obrábania. 11

13 1 Prehľad súčasného stavu riešenej problematiky 1.1 Obrábanie otvorov Vŕtaním, vyhrubovaním, vystružovaním a zahlbovaním zhotovujeme diery rôznych veľkostí, presností rozmerov a tvarov, drsnosti a vzájomných polôh plôch. Pre uvedené spôsoby obrábania je spoločná kinematická schéma rezania a z nej vyplývajúce spoločné znaky: pracovné pohyby pri obrábaní (hlavný pohyb, posuvný pohyb), rozmerové charakteristiky prierezu rezu triesky, silové pomery, charakterizované okrútiacim momentom a osovou silou, charakteristické prvky reznej časti nástrojov, spôsob upínania nástrojov atď. Vŕtanie patrí k najstarším a najčastejším spôsobom obrábania. Vŕtaním sa zhotovujú diery valcového tvaru, priebežné i nepriebežné. Ako nástroj sa používa najčastejšie skrutkovitý vrták, ktorým možno vŕtať do plného materiálu alebo ho možno použiť na zväčšovanie dier predvŕtaných, predliatych, predlisovaných, predkovaných, vystrihnutých a pod. Vŕtať možno na vŕtačkách a sústruhoch rôznych druhov, na jednoúčelových strojoch a pod. Vŕtaním sa dajú zhotoviť diery presnosti IT 11 až IT 14 s drsnosťou povrchu Ra = 12,5 až 6,3 μm. Ak sa má dosiahnuť väčšia presnosť diery, dokončuje sa napríklad vyhrubovaním, vystružovaním, preťahovaním, brúsením, honovaním a pod. Ktorý spôsob dokončovacieho obrábania si zvolíme, závisí od rozmeru diery, konštrukcie celej súčiastky, od vlastností obrábaného materiálu, počtu vyrábaných kusov, strojového parku, ktorý je k dispozícii a pod Charakteristika technológie vŕtania Vŕtanie je taký druh obrábania, pri ktorom sa nástroj voči obrobku otáča a súčasne do neho v smere osi otáčania posúva tak, aby jeho rezné hrany odoberali z materiálu triesku (obr. 1). Bežné vŕtanie je charakterizované tým, že hlavný i posuvný pohyb vykonáva nástroj. Hlavný rezný pohyb je relatívny pohyb vrtáka alebo obrobku a obvykle sa určuje reznou rýchlosťou. Je rotačný, na vŕtačkách ho vykonáva nástroj, na sústruhoch obrobok. 12

14 Posuv je zložka výsledného rezného pohybu, daná pohybom nástroja alebo obrobku. Spolu s hlavným rezným pohybom umožňuje obrábanie. Výsledným pohybom, ktorý vykonávajú všetky body rezných hrán okrem bodu ležiaceho v osi otáčania je skrutkovica. Stúpanie skrutkovice sa rovná veľkosti posuvu za jednu otáčku. a b c Obr. 1 Princípy vŕtania (Vasilko, 2000) a) vŕtanie do plného materiálu skrutkovitým vrtákom, b) rozširovanie otvoru skrutkovitým vrtákom, c) vŕtanie do plného materiálu rezným nástrojom s VRD Rezná rýchlosť každého bodu reznej hrany vrtáka je iná. Najväčšia je na obvode vrtáka, potom sa smerom k osi otáčania znižuje, až kým dosahuje prakticky hodnotu rovnajúcu sa nule (pri zanedbaní posuvu) Rezné podmienky pri vŕtaní Pri vŕtaní sa rezná rýchlosť v a posuv s určujú v závislosti od druhu obrábaného materiálu tak, aby sa dosiahla čo najvyššia produktivita práce pri čo najnižších nákladoch. Rezné podmienky, pri ktorých sa dosiahne vhodný pomer medzi časom vŕtania a trvanlivosťou rezných hrán, sa nazývajú hospodárne. Pri znižovaní rezných podmienok pod túto hodnotu sa čas potrebný na zhotovenie diery predlžuje, pri ich zvýšení prudko klesá trvanlivosť rezných hrán a tým aj životnosť nástroja (Buda a kol., 1983). Rezná rýchlosť v pri vŕtaní sa počíta podľa obvodovej rýchlosti bodu reznej hrany, ktorý je najviac vzdialený od osi otáčania. Vypočíta sa z dráhy, ktorú prejde tento bod za určitý čas (minútu) a udáva sa v metroch za minútu π Dn v c =, m.min -1 (1)

15 kde: D - priemer vŕtacieho nástroja (mm), n - počet otáčok nástroja za minútu (min -1 ). Posuv f je priamočiary pohyb, ktorý vykonáva v smere otáčania nástroja alebo obrobok. Jeho rýchlosť sa vyjadruje dráhou vykonanou za určitý čas. Pri vŕtaní sa posuv vyjadruje najčastejšie ako posuv za minútu f m (mm), posuv na otáčku f n (mm). So zreteľom na to, že jednotky, v ktorých sa nastavuje posuv na vŕtacích a vyvrtávacích strojoch nie sú vždy zhodné s jednotkami, v ktorých sa udáva v rôznych tabuľkách a normatívoch, treba niekedy vykonať ich vzájomný prepočet. Ak poznáme posuv za minútu, môžeme vypočítať posuv na otáčku podľa vzťahu f m f n =, mm (2) n Stanovenie hospodárnych rezných podmienok na vŕtanie výpočtom je pomerne zdĺhavé, lebo ich ovplyvňujú rôzne faktory, ako je charakter vŕtania, tvar a geometria vŕtacieho nástroja, druh obrábaného materiálu, požadovaná presnosť a drsnosť vyrábaného otvoru atď. Pri určovaní veľkosti reznej rýchlosti a posuvu pri vŕtacích prácach odporúča sa riadiť nasledujúcimi všeobecnými zásadami: vyššia pevnosť a tvrdosť obrobku zvyšuje rezný odpor, a preto vyžaduje nižšie rezné rýchlosti a menšie posuvy, rezný rýchlosť so vzrastajúcim priemerom vrtáka zvyčajne rastie, nad priemer 25 mm obyčajne klesá, čím väčší je priemer vŕtacieho nástroja, tým je nástroj pevnejší a tuhší, čo dovoľuje používať väčšie posuvy, veľkosť reznej rýchlosti závisí aj od materiálu vŕtacieho nástroja, nástroje s platničkami zo spekaných karbidov dovoľujú väčšie rezné rýchlosti ako nástroje z rýchloreznej alebo uhlíkovej nástrojovej ocele Silové pomery pri vŕtaní Proces rezania pri vŕtaní je výrazne ovplyvňovaný silovými pomermi, charakterizovanými krútiacim momentom a osovou silou. 14

16 Pri práci musí nástroj prekonávať zložku reznej sily proti otáčaniu F z, ktorá ho namáha na krútenie a zložku reznej sily proti posúvaniu F x, ktorá ho namáha na vzper (obr. 2) (Buda a kol., 1983). Obr. 2 Rezné sily pri vŕtaní (Buda a kol., 1983) Pretože vždy pôsobí aj zložka vodorovnej sily F y, treba obrobok v upínači zabezpečiť aj proti tejto sile. Ak má vrták symetricky usporiadané rezné hrany, potom sa sily F y navzájom rušia. Rezné sily, ktoré pôsobia približne na ramene D/4, vyvolávajú krútiaci moment: D M k = F, N.m (3) z 2 Rezné sily F x, ktoré pôsobia zvisle na rezné hrany a sila F p, ktorá na vrták pôsobí na priečnom ostrí, sa skladajú a tvoria osovú silu F o : F o = 2F x + F p, N (4) Geometrický tvar a rozmer rezných hrán vrtáka významne ovplyvňuje znižovanie rezných síl, zníženie krútiaceho momentu, opotrebenie nástrojov, reznú dynamiku a kvalitu vŕtaných dier. Zlá geometria vrtáka často vedie k nežiaducemu uhlu rezania a preto sa zhoršuje rezací výkon a niekedy dôjde aj k strate schopnosti rezania a vŕtania (Mádl, 1988). 15

17 Vplyv uhlu špičky vrtáku je analogický vplyvu uhlu nastavenia pri sústružení. So zväčšujúcim sa uhlom špičky sa pri určitom posuve zväčšuje hrúbka triesky a krútiaci moment sa zmenšuje. Posuvová sila sa naproti tomu zväčšuje. Zväčšením hrúbky triesky sa zmenší merný rezný odpor. Uhol stúpania drážky skrutkovicového vrtáka takisto ovplyvňuje veľkosť krútiaceho momentu a posuvovej sily. Ak sa zväčšuje uhol drážky, zmenšuje sa aj posuvová sila a krútiaci moment až do určitej veľkosti (asi 45 ). Značný vplyv na veľkosť posuvovej sily má aj priečna rezná hrana vrtáku. S rastúcou dĺžkou priečnej reznej hrany rastie krútiaci moment a posuvová sila. Najväčší vplyv na veľkosť krútiaceho momentu a posuvovú silu má priemer vŕtaného otvoru, resp. priemer vrtáku a posuv, druh a pevnosť, alebo aj tvrdosť materiálu obrobku. 1.2 Vŕtacie nástroje Najčastejšie sa používa skrutkovitý vrták, ktorým možno vŕtať do plného materiálu, alebo ho možno použiť na zväčšovanie dier predvŕtaných, predliatých, predlisovaných a pod. Okrem toho sa používajú aj iné typy vrtákov, ako (Bátora, 1995): strediace vrtáky, ktoré sa používajú na vŕtanie strediacich jamiek pre polotovary upnuté medzi hroty a opracovávané na sústruhoch, ploché vrtáky (kopijovité), ktoré patria medzi najstaršie. Ich výhodou je nenákladná a jednoduchá výroba a údržba. Nevýhody sa prejavujú v malej výrobnosti rezania a v dôsledku nepresného vedenia nástrojov aj v malej rozmerovej a geometrickej presnosti otvorov, delové vrtáky, ktoré sa používajú na vŕtanie hlbokých dier. Majú iba jednu reznú hranu, preto sa nazývajú aj jednohranné vrtáky, hlavňové vrtáky, ktorými sa zvyšuje presnosť obrábania. Majú dve rezné hrany (hlavnú a vedľajšiu) a slúžia tiež na obrábanie hlbokých dier, ejektorové vrtáky, ktoré sú progresívnym typom vrtákov. Majú dve rezné hrany umiestnené proti sebe a rezné platničky sú umiestnené s presadením. Používajú sa tiež na vŕtanie hlbokých otvorov, trepanačné vrtáky, ktoré sú tiež progresívnymi typmi vrtákov a používajú sa na vŕtanie hlbokých otvorov väčších priemerov, kde obrábanie inými typmi vrtákov už nie je hospodárne, 16

18 trojhranné vrtáky, ktoré majú špeciálne použitie a používajú sa na vŕtanie do skla, korunové vrtáky, ktoré sa používajú na vŕtanie plechov, združené vrtáky na súčasné vŕtanie viacerých priemerov, vrtáky na obrábanie nekruhových otvorov, kombinované vrtáky s výstružníkom a pod. nové konštrukcie vrtákov, napr. s vymeniteľnými reznými doštičkami (VRD), vymeniteľnou hlavou, 3 reznými hranami atď Skrutkovité vrtáky Skrutkovitý vrták (obr. 3) je dvojklinový rezný nástroj so skrutkovitými drážkami na odvod triesok a prívod reznej kvapaliny do oblasti rezania. Pri práci sa zvyčajne krúti okolo svojej osi, súčasne sa v jej smere posúva do vŕtanej súčiastky. Vŕtajú sa ním valcové diery, ktorých hĺbka dosahuje najviac päťnásobok priemeru diery (Lipták a kol., 1979). Vrtáky sa vyrábajú z rýchlorezných ocelí a s reznými platničkami zo spekaných karbidov. Profil drážok je taký, aby vždy pri určitom uhle sklonu skrutkovice ω a uhle hrotu vznikli priame rezné hrany. Rezné hrany sú dotyčnice k jadru vrtáka, ktoré spojuje jeho rebrá. Na hrote vrtáka má jadro priemer 1/4 až 1/8 D (D je priemer vrtáka). Smerom ku stopke sa zväčšuje úkosom 1:130. Od priemeru jadra, plochy a profilu telesa vrtáka závisí jeho torzná tuhosť, ktorá má byť čo najväčšia. Teleso vrtáka má valcové vodiace fazetky, ktoré vedú vrták v diere. Ich šírka závisí od priemeru vrtákov - býva 0,3 až 4,5 mm pre rozsah priemerov 2 až 90 mm. Na zmenšenie trenia medzi vodiacimi fazetkami a stenou diery sa teleso vrtáka smerom ku stopke zmenšuje kužeľovitosťou 0,2 až 0,008 na dĺžke 100 mm, podľa priemeru vrtáka. Obr. 3 Hlavné konštrukčné prvky a geometrické parametre vrtáka (Lipták a kol., 1979) 17

19 Stopka vrtákov môže byt valcová (vrtáky do 20 mm) alebo kužeľová. Kužeľová stopka sa končí plôškou, ktorá pri upnutom vrtáku zapadá do otvoru vretena alebo redukčnej vložky. Táto časť vrtáka sa nazýva unášač. Názov nevyjadruje správne jeho funkciu, pretože pri správnom upnutí nástroja v kužeľovej dutine neprenáša krútiaci moment, ale je potrebný ako oporná časť pri vyrážaní nástroja z vretena alebo redukčnej vložky (Békés, 1981). Uhol hrotu vrtáka ε r rovnako ako aj uhol sklonu skrutkovice ω sa volí podľa druhu obrábaného materiálu. Uhol čela γ o je závislý od uhla sklonu skrutkovice a vzdialenosti miesta reznej hrany, v ktorom ho určujeme, od osi vrtáka. Mení sa teda, najväčšiu hodnotu má na obvode vrtáka, kde je uhol sklonu skrutkovice najväčší a najväčšia je aj vzdialenosť miesta merania. Smerom do stredu vrtáka sa hodnota uhla čela zmenšuje, až v okolí priečnej reznej hrany nadobúda záporné hodnoty. Tvrdé a vysokopevné materiály vyžadujú malý uhol čela, preto je aj uhol sklonu skrutkovice malý, a naopak. Uhol chrbta α o vytvoríme podbrúsením hrotu vrtáka. Na obvode má najmenšiu hodnotu (6 až 18 ), smerom k stredu vrtáka sa zväčšuje. Zväčšenie závisí od použitej metódy ostrenia, býva až dvadsaťpäťpercentné. Veľké uhly chrbta, ako aj čela znižujú mechanickú pevnosť rezných klinov, čo je zvlášť nebezpečné pri vŕtaní tvrdých a vysokopevných materiálov (Buda-Békés, 1977). Priečna rezná hrana je prienikom kužeľových chrbtových plôch rezných klinov. Spája obe hlavné rezné hrany vrtáka. Stredový uhol ϕ p, ktorý s nimi zviera v rovine kolmej na os vrtáka, má byť 55 až 60. Skrutkovité vrtáky s reznými platničkami zo spekaných karbidov (obr. 4) sa od vrtákov z rýchlorezných ocelí líšia : a) konštrukčným riešením hrotu vrtáka. Rezná platnička je v lôžku telesa vrtáka prispájkovaná. Uhol sklonu skrutkovice v oblasti reznej platničky má z výrobných dôvodov menšiu hodnotu ako vo zvyšnej časti telesa. V dôsledku toho sa aj uhol čela zmenší. b) telesom vrtáka, ktoré sa robí kratšie a so zosilneným jadrom, aby sa zvýšila torzná tuhosť nástroja. Vrták s vysokou torznou tuhosťou je odolný proti torznému kmitaniu, čo má veľký význam, pretože rezné hrany zo spekaného karbidu sú krehké. Skrutkovité vrtáky malého priemeru sa celé vyrábajú zo spekaného karbidu. V súčasnosti sa stále vo väčšej miere používajú vrtáky, kde sa do držiaka 18

20 priskrutkovávajú rezné doštičky nielen zo spekaných karbidov, ale aj napr. z reznej keramiky, KNB, diamantu, povlakovaných SK (obr. 4) a pod. Obr. 4 Skrutkovitý vrták s reznou platničkou zo spekaného karbidu (Buda-Békés, 1977) Nové geometrie a konštrukčné riešenia vrtákov Hoci technológia vŕtania sa výrazne nemení, nástroje pre vŕtanie prechádzajú neustálym vývojom umožňujúcim zvyšovanie parametrov vŕtania na jednej strane a zvyšovanie životnosti na druhej strane. Zaujímavou geometriou je rezný klin v tvare tzv. F-hrotu (obr. 5). Len malý podiel reznej hrany tvorí hrot s vrcholovým uhlom 140, podstatná časť oboch rezných klinov zviera veľmi tupý uhol 170. Obr. 5 Vrták s vymeniteľným rezným klinom (KRUZ drill for dry cutting, 2010) 19

21 Takáto geometria umožňuje nielen vŕtanie nepriechodných otvorov s takmer rovným dnom, ale i veľmi stabilné obrábanie napr. zväzkov plechov, odliatkov a výkovkov s nerovným povrchom, vŕtanie šikmých otvorov a cez prieniky priečnych otvorov bez zafrézovania, použitie pri výrobe konštrukcii spájaných nosníkov stykovými doskami a pri práci na starých, nestabilných strojoch. Táto geometria je aplikovaná na VRD aj na monolitné karbidové vrtáky. Modulárny skrutkovitý vrták Titex Alpha Point je systém s ľahko vymeniteľnou VRD, ponúka vysokú rýchlosť úberu a výbornú kvalitu povrchu bez potreby ostrenia nástroja. Povlakovaná doštička z SK s menovitým rozmerom zodpovedajúcim priemeru vŕtaného otvoru je vsadená do vybrania v telese nástroja (obr. 6). VRD sa dodáva vo viac ako 100 rozmeroch. V telese sa upína jednou radiálnou skrutkou. Telesá sa vyrábajú vo viacerých dĺžkach, čo umožňuje vŕtanie otvorov hĺbky 3D ale aj 7D. Na povrchu telesa je tvrdý niklový povlak, nástroje majú kanáliky pre vnútorné chladenie. Do jedného nástroja je možné upínať niekoľko rôznych doštičiek, výmenu je možné vykonať aj na vrtáku upnutom vo vretene. Obr. 6 Modulárny vrták s vymeniteľnou reznou doštičkou (Novák, 2007) Nové vrtáky s vymeniteľnou reznou hlavou (obr. 7) spájajú najlepšie požiadavku na kvalitu vŕtaného otvoru a minimálny čas vŕtania s úsporami nákladov na rezný materiál progresívne SK. Presné spojenie hlavy s telesom nástroja s využitím vrubov zaisťuje mimoriadnu tuhosť deleného nástroja a optimálny prenos krútiaceho momentu. Radiálny upínací systém umožňuje ľahkú manipuláciu. K ďalším výhodám patrí intenzívne chladenie kvapalinou privádzanou priamo na rezné hrany v reze, špeciálnu geometriu rezných klinov so štyrmi spevňujúcimi fazetkami a flexibilné využitie držiakov v rozsahu priemeru 1 mm. Vrtáky s vymeniteľnou reznou hlavou sú dostupnú v priemeroch od 15 do 30 mm, pre vŕtanie otvorov s dĺžkou 3D alebo 5D v oceli a liatine. Presnosť pri výmene reznej časti a odchýlka súosovosti je menšia ako 10 μm. K základným prednostiam skladaných vrtákov patria presné a pevné spojenie hlavy s telesom nástroja, zaisťujúce bezchybný prenos krútiaceho momentu. 20

22 Obr. 7 Vrták s vymeniteľnou reznou hlavou (Novák, 2007) Ďalšie významné konštrukčné zmeny nových vŕtacích nástrojov spočívajú okrem iného v náhrade priechodného stredového chladiaceho otvoru dvoma skrutkovitými periférnymi otvormi privádzajúcimi chladiacu kvapalinu priamo do miesta rezu (obr. 8). To umožňuje zväčšenie priestoru drážky pre odvod triesky a súčasne aj podstatné zvýšenie torznej pevnosti jadra a stability celého nástroja. a b Obr. 8 Spôsoby chladenia pri vŕtaní (Horváth, 2009) a) štandardný spôsob chladenia cez nástroj, b) nová koncepcia chladenia cez nástroj Snahou výrobcov progresívnych nástrojov je prinášať nové konštrukčné riešenia vrtákov. Často ide o snahu zmenšiť priečnu reznú hranu a hlavnú chrbtovú plochu, čo by malo viesť k zníženiu energie prekonávajúcej trenie, resp. vytláčanie materiálu priečnou reznou hranou. Príkladom riešení týchto problémov sú vrtáky s geometriou CZ002 a CZ004 (obr. 9). V prvom prípade ide o skrátenie priečnej reznej hrany, v druhom o zmenšenie plochy chrbta. Nová geometria CZ002 je charakteristická troma prvkami: 21

23 hrot vrtáka výrazne prispieva k vysokej stabilite vrtáka i pri vŕtaní vysokými reznými rýchlosťami a súčasne zaručuje vysokú rozmerovú a geometrickú presnosť vŕtaných otvorov, konštantná hrúbka jadra v prednej časti vrtáka umožňuje jeho opakovateľné ostrenie pri zachovaní rovnakej geometrie hrotu vrtáka, veľmi tenké jadro, ktoré je konštantné v určitej časti od hrotu vrtáka, výrazne znižuje veľkosť potrebnej osovej sily pre vŕtanie a následný vývin tepla pri zachovaní veľkej tuhosti vrtáka vďaka niekoľkonásobnému nárastu hrúbky jadra smerom k stopke. Druhou novinkou je vrták s označením geometrie CZ004. Bol priamo vyvíjaný pre vŕtanie nehrdzavejúcej ocele. Líši sa od predchádzajúceho typu úpravou geometrie chrbta rezného klina a použitím vysoko legovaného materiálu HSS Co5, čo sa prejavuje dlhšou životnosťou vrtáka. a b Obr. 9 Nové geometrie vrtákov (Půlkrábek, 2007) a) vrták s geometriou CZ002, b) vrták s geometriou CZ004 Pre menšie priemery, ale i rôzne špeciálne aplikácie nie je možné použiť vrtáky s VRD, ale je potrebné použiť monolitné vrtáky. Monolitické vrtáky je možné rozdeliť podľa veľkosti zrna, reznej dĺžky, spôsobu upínania, druhu povlakovania, spôsobu chladenia, geometrie rezného klina a pod. Mnohé kvalitnejšie monolitické karbidové vrtáky je náročné použiť na starších strojoch s nižšou tuhosťou, čo je zapríčinené tvrdosťou a krehkosťou karbidov, pretože v dôsledku vibrácii dochádza k vylamovania a vyštiepavaniu rezného klina. Nástroje zo špeciálnej ocele Premium HSSCo s vysokým obsahom vanádu a kvalitným TiN povlakom majú neporovnateľne vyššiu kvalitu voči bežným HSS vrtákom vo všetkých kritériách vysoký výkon, presnosť a trvanlivosť. 22

24 Najväčšou výhodou moderných monolitických vrtákov z HSS je ich použiteľnosť na starých strojoch, kde pri malej počiatočnej investícii je možné získať najvyššiu kvalitu a výkon pri výrobe otvorov. Ďalšou výhodou je výrazne vyššia húževnatosť oproti tvrdokovovým nástrojom, čo umožňuje nielen použiť vysoké posuvy, ale aj nasadenie na starších strojoch s nižšou tuhosťou. Povlaky TiCN a TiAlN umožňujú použiť vyššie rezné rýchlosti a tým priblížiť výkon HSS vrtákov karbidovým pri zvýraznení pozitívnych vlastností HSS (Půlkrábek, 2007). Ukazuje sa, že ovplyvnenie mikrogeometrie rezných klinov nástrojov má zásadný vplyv na životnosť nástroja ako aj na spôsob opotrebenia a rezné sily vznikajúce pri obrábaní. Po vybrúsení HM nástrojov sú rezné kliny väčšinou nerovnomerné, približne v mierke použitých brúsiacich zŕn. V dôsledku fluktuácie v geometrii brúsenia, kvalite HM substrátov, kvalite obsluhy CNC brúsok a brúsnych kotúčov môžu vzniknúť nerovnomernosti na rezných klinoch a tie spôsobovať zníženie ich rezného výkonu. Pri prípadnom následnom povlakovaní sa situácia môže ešte zhoršiť, pretože povlak sa na ostrých hranách nerovnomerností môže odlupovať. Používajú sa preto rôzne spôsoby úpravy mikrogeometrie povrchu, napríklad leštenie v ruke, kartáčovanie, omieľanie v granulátoch s brúsnou pastou, mikropieskovanie, vodný lúč, príp. úprava s magnetickým práškom. V dôsledku úpravy sa zníži drsnosť povrchu nástroja, rezné hrany sa zaoblia. V dôsledku toho sa znížia rezné sily vo všetkých zložkách, čo vedie aj k zníženiu teploty ako aj k následnému zvýšeniu životnosti nástrojov. Ďalšou oblasťou inovačného úsilia sú vrtáky s vymeniteľnými hlavicami a vnútorným rozvodom chladiacej kvapaliny (obr. 10). Tieto nástroje umožňujú upnutie viacerých rozdielnych typov vŕtacích hlavíc pre rôzne materiálové skupiny. Nová úprava zaústenia chladiacich kanálikov tesne pri čele každého rezného klina zaručuje oveľa účinnejší odvod triesok z miesta obrábania. Obr. 10 Vrták Chamdrill FF (Fast-Feed) (Klečatský, 2006) 23

25 Telesá vrtákov majú uhol skrutkovice 30 pre vyhotovenie 3D a 25 pre vyhotovenie 5D (obr. 11). Tento systém poskytuje vynikajúcu presnosť a priamosť otvoru, dobrú drsnosť povrchu a bezproblémový odvod triesok z miesta rezu. Vymeniteľné vŕtacie hlavice majú tuhý radiálny doraz pre prenos rezných síl a sú k dispozícii vo viacerých variantoch geometrie navrhnutých pre optimálny výkon, maximálnu životnosť a dokonalé utváranie a odvod triesky pri obrábaní rôznych druhov materiálov. Obr. 11 Vrták s vymeniteľnou reznou hlavicou z povlakovaného SK (Klečatský, 2006) Nová konštrukcia vrtákov nahrádza spájkované doštičky vymeniteľnou reznou hlavicou z SK (jemnozrnný karbid) s povlakom na báze (Al,Ti)N. Ten sa vyznačuje odolnosťou voči opotrebeniu i tvoreniu nárastku v dôsledku vysokej stykovej teploty, preto ho výrobca odporúča pre obrábanie všetkých ocelí i liatin. Konštrukčné a materiálové vyhotovenie zaručuje nástroju rad nasledujúcich predností: vlnový tvar reznej hrany zlepšuje utváranie triesok, pevnosť rezného klina prispieva k jeho mimoriadnej trvanlivosti, vrubové spojenie hlavice s telesom zaručuje vysokú presnosť polohy a pevnosť upnutia, vysoká odolnosť telesa s vnútorným vedením chladiaceho média povrchová úprava telesa z tepelne odolnej špeciálnej zliatinovej oceli zvyšuje odolnosť voči korózii a abrázii, ekonomická prevádzka vylúčenie ostrenia a obnovy povlaku, viac rozmerov hlavice je možné pripojiť k jednému držiaku, jednoduchá manipulácia výmena hlavice povolením jednej skrutky. S novým radom vrtákov z SK s označením WTX-Speed (obr.12) je možné dosiahnuť v oceli a liatine reznú rýchlosť až 240 m.min -1 a až o 20% vyššiu rýchlosť posuvu pri zachovaní optimálnej životnosti a presnosti. Týmto sa stáva vysokorýchlostné obrábanie 24

26 skutočnosťou aj v oblasti vŕtania. Tieto vrtáky sú vhodné pre hospodárnu sériovú výrobu, ako aj skrátenie časov. Tento vrták sa odlišuje od predchádzajúcich v mnohých ohľadoch. Nové je zloženie substrátu z SK, proces ostrenia a povlakovania, zloženie povlaku a neposlednom rade špeciálna geometria rezného klina. Novo vyvinuté zoženie karbidov s nižšou zrnitosťou a nižším podielom spojivového kobaltu pri zachovaní optimálnej húževnatosti zaisťuje vyššiu odolnosť voči vydrolovaniu a vyššiu stability reznej hrany. Inovatívna geometria čela na základe poznatkov najnovšieho vývoja pre oblasť vrtákov z SK minimalizuje posuvovú silu F o a potrebný krútiaci moment, pričom zabezpečuje vynikajúce centrovanie, zavŕtavanie aj kontrolu na trieskou. Asymetrické delenie drážok znižuje mieru chvenia a zaisťuje lepšiu kruhovitosť. Dve vodiace fazetky s vedľajším reznou hranou a ochrannou fazetkou zaisťujú stabilitu rezných hrán, vysokú reznú rýchlosť a ľahký prechod materiálov bez zvierania. Vysokú odolnosť voči opotrebeniu a tým aj dlhú životnosť zaisťuje nové zloženie povlaku Ti800 spolu s najnovšou metódou procesu povlakovania. Povlak Ti800 s vysokou tepelnou stálosťou a odolnosťou v spojení s reznou geometriou výrazne redukuje trenie a náchylnosť k tvorbe nárastku či chveniu. Nízky koeficient trenia povlaku a inovácia v geometrii drážok zabezpečuje dobrý odvod veľkého objemu triesok i pri vysokých rezných a posuvových rýchlostiach. Pre úplné využitie týchto vlastností a s ohľadom na presnosť sa odporúča používať vrtáky na stabilných obrábacích strojoch v spojení s presným a stabilným upnutím nástroja a obrobku. Odporúča sa používať vysokotlakový vnútorný prívod chladiaceho média, ale vrtáky je možné použiť aj s minimálnym mazaním, tzv. MQL. Obr. 12 Vrták WTX-Speed (Gryč, 2010) 25

27 Vysoko výkonné vrtáky s vymeniteľnou vŕtacou hlavou (obr. 13) pozostávajú z tela z tvrdenej niklovanej ocele s vynikajúcou odolnosťou voči opotrebeniu a korózii a hlavy z húževnatého mikrozrnného karbidu. Do jedného tela je možné upnúť vŕtacie hlavy rôznych veľkosti pri zachovaní spoľahlivosti upnutia nástroja a celkovej integrity systému. Obr. 13 Vrták s vymeniteľnou vŕtacou hlavou (Benýr, 2009) Vŕtacie hlavy majú povlak TiAlN, ktorý výrazne prispieva k vysokej húževnatosti nástroja a súčasne chráni proti oxidácii. Vďaka tomu je možné tieto hlavy používať pri vysokých rezných rýchlostiach a posuvoch. Navyše tento povlak prináša i vysokú odolnosť voči vytváraniu nárastku na reznom kline, k čomu bežne dochádza pri obrábaní mäkších materiálov. Samostrediaca geometria, hrot s vrcholovým uhlom 140 a štyrmi fazetkami, zaisťuje nízke hodnoty osových síl potrebných počas vŕtania. Hlava je spoľahlivo zaistená dvoma skrutkami. Drážkovanie na tele a na hlave do seba presne zapadá, krútiaci moment je prenášaný rovnomerne, čo umožňuje presné a ľahké zostavenie nástrojového systému. Otvory pre rozvod reznej kvapaliny v tele vrtáka sú dokonale zarovnané s príslušnými otvormi na výmennej vŕtacej hlave tak, aby rezná kvapalina bola privádzaná priamo na rezný klin. Prínosy: vysoká produktivita vo väčšine materiálov, vrátane uhlíkových a legovaných ocelí, koróziivzdornej ocele, titánu, niklu a liatiny, trvalo vysoká výkonnosť aj po mnohých výmenách hlavy, zníženie nákladov na skladové zásoby nástrojov, pretože do jedného tela je možné upnúť rôzne vŕtacie hlavy, ľahká a rýchla výmena hlavy minimalizuje prestoje, lebo hlavu je možné vymeniť bez nutnosti vybratia nástroja zo stroja, vŕtacia hlava a telo do seba presne zapadajú, čo vedie k maximálnej tuhosti upnutia a vyvŕtané otvoru sú presné, stopku je možné upnúť do rôznych upínacích systémov. Neustály vývoj novej geometrie vrtákov priniesol aj výrobu vrtákov s tromi reznými hranami namiesto bežne používaných dvoch rezných hrán (obr. 14 a 15). 26

28 Použite troch rezných hrán má niekoľko významných výhod. Jednou z nich je, že výrazne znižuje hádzanie počas vŕtania a tým prispieva k väčšej stabilite. To zaručuje vyššiu kvalitu vŕtaných dier a zvyšuje životnosť rezného nástroja. Veľkou výhodou troch rezných hrán je aj to, že nedochádza k deformácii pri vŕtaní nerovného povrchu, či už pri vnikaní nástroja do obrábaného materiálu alebo pri výstupe. Špeciálna geometria vrtáku umožňuje, aby boli pri obrábaní použité nižšie sily, čo bol hlavný dôvod pre návrh a výrobu týchto vrtákov. Tri rezné hrany umožňujú lepšie rozloženie tangenciálnych zložiek rezných síl. Zníženie rezných síl prispieva k znižovaniu opotrebenia rezného nástroja (Begoňa, 2004). Obr. 14 Vrták typu TF B105 (Begoňa, 2004) (a) celkový pohľad, (b) detail hrotu vrtáka, (c) výkres vrtáka znázorňujúci hlavné geometrické vlastnosti Obr. 15 Vrtáky s tromi reznými hranami. Vľavo PN 10-65A, vpravo PN 10-65C (Begoňa, 2004) Vyššia stabilita, ktorú zaručujú tri rezné hrany, je dosahovaná vďaka zníženiu chvenia a stálosti krútiaceho momentu počas rezania. Nová geometria vrtáku tak prispieva k vyššej optimalizácií krútiaceho momentu. Geometria vrtákov s použitím troch namiesto dvoch rezných hrán sa stále vylepšuje a rezné hrany sa stále menia. 27

29 1.3 Teplo a teplota pri vŕtaní Pri rezaní kovu sa energia spotrebuje na deformáciu triesky a v trení medzi nástrojom a obrobkom. Takmer celá táto energia sa mení na teplo, spôsobujúc vysoké teploty v oblastiach deformácie a okolitých oblastiach triesky, nástroja a obrobku. Práca rezania je spojená s vývinom značného množstva tepla. Toto teplo sa odvádza do triesky, nástroja, obrobku a rezného prostredia a spôsobuje ich ohrev. Teplo nepriaznivo pôsobí predovšetkým na nástroj a je základným limitujúcim faktorom pre výšku rezných podmienok. Rovnako tak nepriaznivo pôsobí teplo na dosahované kvalitatívne parametre obrábania, na presnosť obrobenej plochy, zvyškové napätia a pod. (Mádl, 1988). Charakter tepelnej bilancie závisí od spôsobu obrábania, od reznej rýchlosti a ďalších podmienok rezania (napr. tepelnej vodivosti nástroja), pričom napr. Buda a kol. (1983) uvádzajú pre vŕtanie takého hodnoty: 1. s trieskou odchádza 28 % tepla, 2. do vrtáka prechádza 14,5 % tepla, 3. v súčiastke zostáva 52,5 % tepla, 4. do okolitého prostredia prechádza 5 % tepla, alebo sa práca nemení na teplo. O rezné teploty sa zaujímame, pretože ovplyvňujú priebeh obrábania. Teploty v oblasti prvotnej deformácie, kde prevažná časť deformácie predstavuje tvorbu triesky, ovplyvňujú mechanické vlastnosti materiálu obrobku a tak aj rezné sily. Teploty na čele nástroja majú silný vplyv na trvanlivosť/životnosť nástroja. Pri zvyšovaní teploty v tejto oblasti nástroj stráca tvrdosť, prípadne sa rýchlejšie opotrebováva abrazívne alebo sa plasticky deformuje. V niektorých prípadoch zložky materiálu nástroja difundujú do triesky alebo chemicky reagujú s reznou kvapalinou alebo trieskou, čo nakoniec môže viesť k zlyhaniu nástroja. Pretože rezná teplota rastie so zvyšovaním reznej rýchlosti, teplom aktivované mechanizmy opotrebenia nástroja obmedzujú najvyššiu reznú rýchlosť pre mnoho kombinácii materiálu nástroja a obrobku. Pochopenie teplôt v tejto oblasti preto poskytuje pochopenie požiadaviek na materiály nástroja a povlakov. Nakoniec, teploty na chrbte nástroja ovplyvňujú drsnosť a metalurgický stav obrobeného povrchu. Stredné úrovne týchto teplôt vyvolávajú zvyškové napätia v obrobenom povrchu v dôsledku rôznych teplotných deformácii, kým vysoké úrovne môžu zanechať spálenú alebo spevnenú vrstvu na obrobenej súčiastke (Stephenson, Agapiou, 2006). Experimentálne štúdium tepelných javov je zamerané na zisťovanie: teploty stykových plôch nástroja a obrobku, 28

30 miestnej teploty, resp. teplotného poľa a obrobku, príp. triesky, celkového množstva vzniknutého tepla a podiel odvedeného tepla do obrobku, nástroja, triesky a rezného prostredia (Mádl, 1988). Teplota je jedna z najdôležitejších termodynamických vlastností, ktoré určujú stav hmoty a objavuje sa v mnohých fyzikálnych zákonoch. Existuje len veľmi málo vlastností látok, ktoré by neboli teplotne závislé. Vo svojej podstate je teplota mierou kinetickej energie pohybu molekúl a atómov, pričom molekuly na seba navzájom narážajú a rýchlosť ich pohybu sa neustále mení v čase. V pevnom skupenstve molekuly neusporiadane kmitajú okolo rovnovážnej polohy, v tekutom skupenstve je pohyb molekúl neusporiadaný v celom objeme. Ak na hmotu nepôsobí okolité prostredie, priemerná rýchlosť pohybu molekúl je konštantná. Táto priemerná rýchlosť je závislá na teplote a termodynamická teplota ľubovoľného telesa je priamo úmerná kinetickej energii molekúl alebo priamo úmerná ich hmotnosti a druhej mocnine rýchlosti pohybu. Za najnižšiu teplotu sa pokladá absolútna teplotná nula alebo nula termodynamickej stupnice (0 K), pri ktorej akýkoľvek pohyb ustáva. Pre stanovenie teploty sa používajú teplotné závislosti iných fyzikálnych veličín. Volia sa také fyzikálne javy, ktorých závislosť veličiny je možné matematicky vyjadriť teplotnou stupnicou Činitele ovplyvňujúce reznú teplotu Parameter procesu s najväčším vplyvom na reznú teplotu je rezná rýchlosť. Pretože rezné sily všeobecne sa veľmi nemenia s reznou rýchlosťou, zvyšujúca sa rezná rýchlosť zväčšuje mieru, pri ktorej sa energia využije plastickou deformáciou a trením a tak množstvo tepla vytvoreného v reznej oblasti. Zvyšovanie posuvu tiež zvyšuje tvorbu tepla a rezné teploty. Pre stredné rozsahy týchto premenných má rezný rýchlosť väčší vplyv a rozhranie nástroj-trieska vzrastá s druhou odmocninou reznej rýchlosti ale s treťou odmocninou posuvu. Ostatné parametre, ktoré ovplyvňujú reznú silu, ako hĺbka rezu a uhol čela, ovplyvňujú tiež rezné teploty; zmeny v týchto parametroch, ktoré zvyšujú reznú silu, zvyčajne mierne zvyšujú aj rezné teploty. Pri veľmi vysokých rezných rýchlostiach sa teplota na rozhraní nástroj-trieska nemení podľa vyššie uvedeného pomeru, ale sa asymptoticky blíži k teplote tavenia materiálu obrobku. Vlastnosti materiálu tiež silno ovplyvňujú rezné teploty. Rezné teploty sú vyššie pre tvrdšie (pevnejšie) materiály obrobku, pretože rezné rýchlosti a energie sú zvýšené. Pre materiály podobnej tvrdosti rastú rezné teploty s ťažnosťou/húževnatosťou, 29

31 pretože húževnatejšie materiály môžu pohltiť viac energie plastickou deformáciou. Pri reznej rýchlosti zhruba 300 m.min -1 teplota na rozhraní nástroj-trieska je zvyčajne zhruba 400 C pre hliníkové zliatiny s HB 100, 750 C pre krehkú sivú liatinu s HB 200 a nad C pre ťažnú strednú oceľ s HB 200. Tepelné vlastnosti materiálu obrobku, ktoré ovplyvňujú rezné teploty zahŕňajú tepelnú vodivosť k a tepelnú kapacitu ρ c. Teploty vo všeobecnosti klesajú pri zvyšovaní týchto parametrov, pretože zvýšenie znamená, že teplo je rýchlejšie odvádzané cez obrobok (vyšší k) alebo že teplota stúpa pomalšie pre daný tepelný vstup (vyššie ρ c ). Zvyšovanie tepelnej vodivosti a tepelnej kapacity materiálu nástroja tiež znižuje teploty, hoci vplyv sa nezdá byť taký zjavný ako v prípade materiálu obrobku. Ďalší parameter, ktorý ovplyvňuje tepelné aspekty rezania, je pomer medzi množstvom odoberaného materiálu na jednotku hĺbky rezu a tepelnou difuzivitou materiálu nástroja, Vaρ c /k, ktoré je označované ako tepelné číslo v literatúre o rezaní kovov. Vo všeobecnej literatúre o vedení tepla je definované ako Pecletovo číslo Pe, ktoré odráža relatívnu dôležitosť premiestňovania hmoty a vedenia. Pre nízke hodnoty Pe, rýchlosť nástroja vzhľadom na obrobok je pomerne malá v porovnaní s tepelnou difuzivitou materiálu a porovnateľne veľký podiel tepla tvoreného v oblasti deformácie vedie do obrobku. Pre veľké hodnoty Pe na druhej strane skoro všetko teplo zostáva v trieske a je vynášané z reznej oblasti. V bežnom rezaní je Pe je všeobecne rádu 10 4 a obrobok sa často značne ohrieva počas rezania. Vo vysokorýchlostnom rezaní je Pe častejšie rádu 10 5 a obrobok zvyčajne zostáva oveľa chladnejší. Nakoniec vrcholové teploty rozhrania nástroj-trieska sú ovplyvnené polomerom hrotu nástroja a uhlom hrotu. Zvyšovanie polomeru hrotu znižuje vrcholovú teplotu znížením najväčšej hrúbky odrezávanej vrstvy a rozširovaním trecej energie na reznej hrane. Znižovanie uhla hrotu (zvyšovaním uhlov čela alebo chrbta) zvyšuje vrcholovú teplotu znižovaním plochy, cez ktorú môže teplo prenikať z reznej hrany cez nástroj (Stephenson, Agapiou, 2006) Meranie teploty Rozoznávame dve kategórie metód pri meraní teploty kontaktnú termometriu a radiačnú termometriu. Keď sa využívajú metódy patriace do prvej kategórie, objekt merania je v kontakte s teplomerom. To má za následok okamžité tepelné ovplyvnenie meraného objektu teplomerom. Okrem toho trvá istú dobu, kým citlivý prvok teplomera 30

32 úplne zareaguje na teplotu meraného objektu. Časová konštanta sa pritom určí z tepelnej kapacity snímača a tepelného odporu medzi snímačom a meraným objektom. Druhá kategória metód sa zakladá na meraní (tepelného) vyžarovania meraného objektu. Žiarenie smeruje do tepelne citlivého zariadenia, ktoré umožňuje určiť teplotu meraného objektu podľa jeho vyžarovania. Tepelné zaťaženie pri takejto metóde je zanedbateľné. Vo všeobecnosti meradlá teploty využívajú niekoľko základných princípov: 1) teplotnú rozťažnosť tuhých, kvapalných alebo plynných teplomerných látok. Teplotná rozťažnosť teplomernej látky, resp. rozdiel teplotných rozťažností dvoch látok potom predstavuje mieru teploty. Meria sa zmena objemu teplomernej látky pri konštantnom tlaku (dilatačné teplomery), alebo zmena tlaku teplomernej látky pri konštantnom objeme (tlakové teplomery), 2) zmenu elektrických vlastností snímača v závislosti od zmeny teploty. Využíva sa: a) závislosť elektrického odporu vodičov alebo polovodičov od teploty. Takéto snímače teploty sa nazývajú odporové teplomery, resp. termistory, b) vznik termoelektrického napätia v obvode tvorenom dvoma rôznymi kovovými vodičmi, ktorých konce sú spojené a vystavujú sa dvom rôznym teplotám (Seebeckov jav). Takéto snímače teploty sa nazývajú termočlánky, c) snímanie celkovej energie žiarenia. Tuhé a kvapalné látky vysielajú pri každej teplote T > 0 K tepelné žiarenie. Na určenie teploty sa využíva tepelná závislosť žiary, ktorú merajú tepelné detektory, d) využitie spektrálnej žiarivosti meraného objektu. S rastom teploty meraného objektu rastie aj jeho spektrálna žiarivosť (Kureková a kol., 2005) Meranie rezných teplôt Presné meranie rezných teplôt je náročnejšie ako meranie rezných síl. Rezná sila je vektor úplne určený troma zložkami, kým teplota je skalárne pole, ktoré sa v systéme mení a ktoré nemôže byť jednoznačne popísané hodnotami v niekoľkých bodoch. Kvôli tomu neexistuje jednoduchá analógia k dynamometru na meranie reznej sily pre meranie rezných teplôt, bolo skôr vyvinutých množstvo meracích postupov zložených na rôznych fyzikálnych princípoch. Jednotlivé metódy všeobecne prinášajú iba obmedzené informácie o celkovom rozložení teplôt (Stephenson, Agapiou, 2006). Náročnosť výpočtov teplôt a tepelných gradientov (spádov) v blízkosti reznej hrany, aj pre veľmi jednoduché podmienky obrábania, zvýrazňuje dôležitosť metód merania teploty (Trent, 1991). 31

33 Pod pojmom teplota rezania rozumieme strednú teplotu stykových miest medzi nástrojom a obrobkom (medzi čelom rezného klina a trieskou a ďalej medzi chrbtom rezného klina a plochou rezu). Ak uvažujeme miestnu teplotu, potom túto teplotu bližšie pojmovo upresňujeme. Pod pojmom teplotné pole rozumieme rozloženie teplôt v nástroji, obrobku a trieske. Experimentálne určovanie teplotného poľa vo vnútri telesa je veľmi náročné a preto sa zvyčajne obmedzuje na určovanie teplotného poľa na povrchu. Vo vnútri telies sa spravidla uspokojujeme s určením teploty v niektorých bodoch. Pre meranie teploty, resp. teplotného poľa sa využívajú rôzne fyzikálne, resp. chemické javy. S ohľadom na špecifické podmienky sa využívajú pri obrábaní iba niektoré z nich. Sú to predovšetkým: termoelektrický jav (termoelektrické články), zmena elektrického odporu (termistory), tepelné žiarenie (pyrometre, fotometria, termovízia), zmena štruktúry (teplomerné farby a kriedy). Prístroje a zariadenia pre meranie teploty sa všeobecne skladajú zo snímača teploty, resp. prevodových a prenosových členov a ďalej indikátorov meranej veličiny. Pri meraní teplôt v procese rezania sa jedná prevažne o priame umiestnenie snímača do sústavy strojnástroj-obrobok. Podľa druhu, vyhotovenia, prípadne umiestnenia použitého snímača sú označované aj jednotlivé meracie metódy. Existujúce metódy experimentálneho štúdia teploty a teplotného poľa pri obrábaní je možné rozdeliť na: meranie teploty termoelektrickými článkami, meranie teploty termistormi, meranie teploty pyrometrami, fotografické meranie teplotného poľa, meranie teplotného termovíziou, meranie teplotného poľa teplotnými indikátormi (Mádl, 1988). Z hľadiska presnosti má najväčší význam priame meranie teplôt v zóne obrábania (nástroj, trieska, obrobok). Pre tento účel bolo vyvinutých mnoho experimentálnych metód a prostriedkov na meranie teplôt pri sústružení. Tieto metódy sú založené na tom, že nástroj je statický a dá sa na jeho povrch alebo do neho umiestniť snímač, t.j. termočlánok, ktorý je zapojená na meracie zariadenie. Pri vŕtaní sa táto výhoda stráca, lebo v tomto prípad je obrobok pevne upevnený, otáča sa nástroj a problémy priameho merania 32

34 spočívajú hlavne v malom objekte merania. Z toho vyplýva nemožnosť umiestnenia meracieho zariadenia na nástroj alebo do nástroja (Čilliková a kol., 2005) Meranie teploty termoelektrickými článkami Pri meraní teplotu termoelektrickými článkami sa využíva termoelektrický jav. V elektrickom obvode tvorenom dvoma rôznymi vodičmi, ktorých konce sú vodivo spojené, vnikne termoelektrické napätie, ak sú oba spoje udržiavané na vzájomne rozdielnych teplotách. Tento jav sa využíva pre meranie teploty tak, že merací spoj termočlánku je umiestnený do miesta merania teploty a porovnávací spoj, ktorý je udržiavaný na známej teplote (pri obrábaní zvyčajne na teplote okolia) tvoria druhé konce vodičov, ku ktorým sa pripája pomocou prívodných drôtov milivoltmeter alebo iný indikačný prístroj obr. 16. Obr. 16 Schémy termočlánku (Kureková a kol., 2005) a) základná schéma, b) teplý a studený spoj Pri obrábaní sa používajú na meranie teploty alebo teplotného poľa nielen normalizované články, ale častejšie v rôznych kombináciách sa využíva priamo materiál nástroja, resp. obrobku. Podľa vyhotovenia termočlánkov sa delia na: umelý, poloumelý, prirodzený, termoduo. Metóda bežného (umelého) termočlánku Pri meraní teploty umelým termočlánkom v určitom bode sa umiestňuje normalizovaný termočlánok do miesta merania teploty. Pomocou umelého termočlánku je možné merať teplotu v rôznych miestach nástroja a obrobku. Bežný termočlánok môže byť zabudovaný (vložený) do nástroja alebo obrobku na zmapovanie rozložení teploty. Tento prístup nebol veľmi široko používaný kvôli potrebe rozsiahlej prípravy vzorky. Pretože teplotné gradienty v blízkosti reznej oblasti sú prudké (strmé), presnosť metódy je 33

35 obmedzená presnosťou umiestnenia termočlánkov. Rozlíšenie a presnosť meraní je tiež veľmi obmedzená veľkosťou hlavy termočlánku, pretože ako poznamenáva Trent (1991), tá môže pokrývať značný rozsah teplôt. Ďalšie problémy sú spôsobené ťažkosťou dosiahnuť dobrý tepelný styk medzi hlavou termočlánku a vzorkou a skutočnosťou, že teplotné pole je narušené prítomnosťou otvorov potrebných na vloženie termočlánkov. Ako uvádza Mádl (1988) tieto úpravy navyše znehodnocujú aj nástroj (zníženie pevnosti rezného klina, obmedzený počet preostrení a pod.). Vo väčšine prípadov metódy vloženého vodiča prinášajú presnejšie výsledky s menším vynaloženým úsilím. Bežné termočlánky môže byť tiež použité na meranie teplôt v bodoch (miestach) nástroja vzdialených od oblasti rezania. Tieto vzdialené merania môžu byť potom použité na spätný výpočet predpokladaného rozloženia teploty pozdĺž reznej hrany založený na teoretických teplotných poliach. Na tento účel môžu byť použité aj infračervené kamery zachytávajúce celé pole. Faktory, ktoré obmedzujú presnosť takýchto inverzných spôsobov sú dobre známe a zahŕňajú presnosť umiestnenia a vplyvy teplotných gradientov metód zabudovaného termočlánku. Ťažkosti navyše spôsobuje vplyv extrapolácie, ktorá má sklon zväčšovať malé chyby vo vzdialených meraniach samotných. Kvôli týmto dôvodom je často ťažké získať s týmto prístupom opakovateľné výsledky. Výhodou je však, že potrebné termočlánky môžu byť zabudované v nástrojovom držiaku, čo robí tento spôsob zaujímavým pre rutinné merania a monitorovanie procesu (Stephenson, Agapiou, 2006). Najčastejšie sa umelý termočlánok používa pre meranie teploty v reznom kline nástroja. Izolovaný termočlánok sa vloží, príp. privarí na dno otvoru zhotoveného v nástroji. Častejšie sa využívajú nástroje s vymeniteľnou reznou doštičkou. Termočlánok je stabilne zabudovaný v telese nástroja tak, že merací spoj je v styku so spodnou plochou doštičky. Nevýhodou tohto usporiadania je, že miesto merania je dosť vzdialené od stykovej plochy obrobku a nástroja a nie je možné tak ani približne zistiť teploty na ploche styku. Merací spoj termočlánku je spravidla vytvorený zváraním pomocou kondenzátorovej zváračky alebo striedavým prúdom v roztoku hydroxidu draselného. Pre izoláciu termočlánku v otvore sa používajú sklenené alebo keramické kapiláry resp. izolačné laky a pod. Porovnávací spoj termoelektrického obvodu je zvyčajne priamo na svorkách indikačného prístroja a je udržovaný na teplote okolia. Hlavnou výhodou umelých termočlánkov je daná ciachovacia charakteristika (závislosť teploty na termoelektrickom napätí). Meraná teplota je nezávislá na druhu 34

36 obrábaného materiálu a je možné jednoducho meracím zariadením vzájomne porovnávať rôzne obrábané materiály. Hlavnou nevýhodou je nemožnosť merania teploty bezprostredne na stykových miestach obrobku a nástroja. Poloumelý termočlánok Hlavnú nevýhodu umelých termočlánkov nemožnosť merania teploty na stykových miestach obrobku a nástroja nemá termočlánok poloumelý. V tomto termočlánku jedným jeho materiálom je materiál nástroja alebo obrobku a druhým cudzí vodič (napr. drôt z konštantánu, NiCr, W a pod.), ktoré sú vodivo spojené v mieste meranej teploty. V porovnaní s umelými majú poloumelé termočlánky širšie použitie, hlavne vzhľadom na menšie rozmery cudzieho vodiča, ktoré je možné presnejšie umiestniť do miesta merania. Ich využitie je dané predovšetkým praktickými možnosťami zavedenia izolovaného vodiča do miesta meranie teploty a jeho vodivé spojenie s materiálom nástroja alebo obrobku. Poloumelé termočlánky je možné použiť pre bodové meranie teploty nástroja, obrobku a triesky i pre meranie teplotného poľa. Pri rezaní deformuje odchádzajúca trieska koniec drôtu a tak vytvára merací spoj termočlánku s materiálom rezného klina nástroja. Uvedený spôsob sa používa pri stanovené teplotného poľa na stykových plochách triesky s čelom nástroja, kde je zabudovaných niekoľko cudzích vodičov. Poloumelý termočlánok sa s výhodou používa aj v prípade, že nástroj je z nevodivého materiálu. Obrábaný materiál a cudzí kov (napr. mosadz) tvorí v mieste styku termočlánok, ktoré teplota sa meria. V prípade, že oba materiály sú dostatočne tenké, meraná teplota je približne rovná teplote rezania. Ďalšou modifikáciou poloumelého termočlánku je možné merať teplotu v oblasti primárnej plastickej deformácie. Cudzí vodič je zabudovaný do odrezávanej vrstvy materiálu obrobku. Pri plastickej deformácii tejto vrstvy pri tvorení triesku dôjde k vodivému spojenou a k vzniku meracieho spoja termočlánku. Iné použitie je pre meranie teploty povrchu obrobenej plochy bezprostredne za miestom rezu. Cudzí vodič termočlánku je v tomto prípade vedený napr. odrezaným husím brkom a vodivo kĺže po obrobenej ploche, s ktorou tvorí merací spoj termočlánku. Výhoda tohto spôsobu merania je v malom rozmere stykovej plochy vodiča s obrobkom (asi 0,2 mm) a tým aj malej zotrvačnosti oproti umelému termočlánku alebo termistoru, kde merací koniec je podstatne väčší. Uvedené usporiadanie umožňuje tiež umiestniť cudzí vodič do blízkosti miesta styku kotúča s obrobkom. 35

37 Prirodzený termočlánok Prirodzený termočlánok predstavuje v teórii obrábania pojem, pod ktorým sa rozumie termočlánok tvorený materiálmi, ktoré sa zúčastňujú procesu rezania a síce materiálmi obrobku a rezného klina rezného nástroja. Hlavnou výhodou prirodzeného termočlánku je meranie teploty rezania (strednej teploty stykových miest medzi obrobkom a nástrojom). Akékoľvek zmeny teploty rezania sú prirodzeným termočlánkom okamžite registrované, čo je možné využiť napr. pre reguláciu rezných podmienok v strojoch s adaptívnym riadením. Stephenson a Agapiou (2006) upozorňujú, že tento spôsob môže byť použitý iba ak sú aj nástroj aj obrobok elektrickými vodičmi, a tak nemôže byť použitý v prípade mnohých keramických rezných nástrojov. Termoelektrická sila (napätie) obvodu je zvyčajne malá a musí byť určená kalibrovaním obvodu voči referenčnému termočlánku. Kalibrovanie je pre dosiahnutie presných výsledkov najdôležitejšie. Nevýhodou je nutnosť ciachovania pre každú kombináciu obrábaného materiálu a rezného klina nástroja. Merací spoj prirodzeného termočlánku je teda na ploche styku rezného klina nástroja s obrobkom. Plocha styku predstavuje sústavu elementárnych termočlánkov s rôznou teplotou v jednotlivých bodoch. Výsledné napätie je aritmetickým priemerom termoelektrických napätí týchto mikročlánkov. Nástroj i obrobok pri meraní prirodzeným termočlánkom sú vzájomne elektricky izolované. Pri bežných meraniach vystačíme väčšinou s izolovaním nástroja od obrábacieho stroja. Pre celkové zvýšenie spoľahlivosti a presnosti merania, i so zreteľom na možný výskyt rušivých napätí je vhodné izolovať od stroja i obrobok. Meranie teploty prirodzeným termočlánkom je relatívne jednoduché a spoľahlivé pre meranie teploty, keď je rezný klin dostatočne hmotný a umožní vytvorenie porovnávacieho spoja v mieste konštantnej teploty (celistvé-monolitné nástroje). Pri nástrojoch s prispájkovanou alebo mechanicky upínanou reznou doštičkou sa však s postupnou stabilizáciou teplotného poľa nástroja postupne prehrieva aj dotyková plocha medzi doštičkou a telesom nástroja a vzniká parazitný termočlánok na dosadacej ploche medzi doštičkou a telesom noža, a teda aj parazitné napätie (Mádl, 1988). Často je tiež ťažké udržať studený spoj na stálej teplote, čo je zvlášť pravdivé pri použití nástrojov s malými vymeniteľnými doštičkami, pretože v tomto prípade môže na rozhraní medzi doštičkou a telesom nástroja (držiakom) vzniknúť druhotný horúci spoj. Táto chyba môže byť znížená kompenzačným obvodom alebo vytvorením elektrických 36

38 spojov s použitím vodičov z materiálov, ktoré majú nízky termoelektrický výkon v spojení s materiálom vymeniteľnej reznej doštičky. Požiadavka, aby jedna vetva obvodu bola izolovaná od stroja môže tiež spôsobovať ťažkosti, prítomnosť izolačného materiálu často znižuje tuhosť obrábacieho systému a vedie k chveniu pri vysokorýchlostných skúškach (Stephenson, Agapiou, 2006). Termoduo Princíp termodua je založený na súčasnom obrábaní obrobku dvoma nástrojmi rovnakej geometrie z rôznych materiálov pri rovnakých rezných podmienkach. Tieto nástroje tvoria spolu termočlánok. Obrábaný materiál, ktorý s každým nástrojom tvorí v mieste styku merací spoj, slúži ako elektrický vodič a v prípade rovnakej teploty na oboch rezných klinoch meranie teploty neovplyvní. Materiály oboch nožov sa musia líšiť svojim chemickým zložením, aby ich termoelektrické napätie bolo odlišné. Tejto požiadavke vyhovuje veľmi dobre dvojica materiálov spekaný karbid a rýchlorezná oceľ. Meranie teploty rezania termoduom predpokladá, že teplota v mieste styku je pre oba nástroje rovnaká. V dôsledku rozdielneho chemického zloženia oboch nástrojových materiálov a tým aj rozdielnych fyzikálnych vlastností (predovšetkým tepelnej vodivosti a rozdielnych trecích pomerov v oblasti styku) budú preto vždy do určitej miery rozdielne i teploty rezania na jednotlivých rezných klinoch. Tieto rozdiely budú predovšetkým pri dvojici rýchlorezná oceľ spekaný karbid, kde oba rezné materiály majú výrazné odlišné vlastnosti. Z tohto hľadiska je výhodné termoduo, kde oba nástroje sú z rýchlorezných ocelí odlišného chemického zloženia. Nevýhodou termodua je veľká spotreba obrábaného materiálu, nutná úprava obrobku pre súčasný záber dvoch nástrojov a obmedzená dĺžka obrábania. Ďalej je potrebné zvláštne zariadenie pre rovnaké nastavenie oboch nástrojov do záberu vrátane správneho ustavenia tohto zariadenia na stroji (Bilík, Kubiš, 1991). Tieto nedostatky odstraňuje usporiadanie termodua, kde sú oba nástroje ustavené oproti sebe. Hoci nože pracujú na rôznych priemeroch a tým aj pri rozdielnych rezných rýchlostiach, je vznikajúca chyba pre bežné meranie prakticky zanedbateľná. Realizácia termodua pri frézovaní používa reznú doštičku vytvorenú z dvoch rôznych materiálov, napr. z dvoch rôznych spekaných karbidov, ktoré sú voči sebe izolované a ďalej je celá doštička izolovaná od držiaka. Vznikajúca trieska spojí obe časti reznej doštičky a tým vytvorí termočlánok. Geometria reznej doštičky a hĺbka rezu sa stanoví tak, aby plochy styku boli na oboch materiáloch pokiaľ možno rovnaké. 37

39 So zreteľom na to, že v mieste pripojenia vodičov k obom častiam reznej doštičky vznikajú parazitné termočlánky pri prehriatí doštičky, snažíme sa o realizáciu čo najväčšej vzdialenosti týchto porovnávacích spojov od miesta rezania. Preto vytvárame reznú doštičku z vhodných spekaných karbidov. Je možné použiť napr. hranoly 5x5x35 mm, ktoré sa vyrábajú pre skúšky ohybovej pevnosti spekaných karbidov. Aj napriek tomu dochádza k prehrievaniu týchto rezných doštičiek a je možné odporúčať meranie teploty iba do určitej relatívne krátkej doby po vojdení chladného rezného klina do rezu Bezdotykové meranie teploty Bezdotykové meranie teploty (tiež označované ako infračervená pyrometria) je meranie povrchovej teploty telies na základe vysielaného elektromagnetického žiarenia telesom a žiarenia prijímaného senzorom (detektorom) s vlnovou dĺžkou od 0,4 μm do 25 μm. Tento rozsah pokrýva oblasť viditeľného spektra od 0,4 μm do 0,78 μm, oblasť blízkeho infračerveného spektra od 0,78 μm do 1 μm, oblasť krátkovlnného spektra od 3 μm do 5 μm a nakoniec oblasť dlhovlnného infračerveného spektra od 5 do 25 μm. Elektromagnetické žiarenie s vlnovou dĺžkou od 2 μm do 25 μm sa označuje ako tepelné žiarenie. Uvedené rozsahy pokrývajú meranie teplôt v rozsahu od -40 C do C. Bezdotykové meranie teploty je výhodné pre: zanedbateľný vplyv meracej techniky na meraný objekt, možnosť merania teploty na rotujúcich alebo pohybujúcich sa objektoch, meranie teploty z bezpečnej vzdialenosti (elektrické zariadenia, hutnícke objekty a pod.), možnosť merania veľmi rýchlych zmien teploty, možnosť merať a ďalej číslicovo spracovať teploty celých povrchov telies (termografia, termovízia). Je potrebné však upozorniť aj na nevýhody bezdotykového merania teplôt: neistoty merania spôsobené neznalosťou správnej hodnoty emisivity povrchu telesa, neistoty merania spôsobené neznalosťou správnej hodnoty prestupu prostredí medzi snímačom a objektom, neistoty merania spôsobené nepresnou korekciou parazitného odrazeného žiarenia z okolitého prostredia na meraný objekt. 38

40 Rozdiel medzi dotykovým a bezdotykovým meraním teploty je v tom, že pri dotykovom meraní, napr. termoelektrickým článkom, dochádza k akumulácii dvoch neistôt merania. Tok žiarenia Φ, prúdiaci do vodičov termoelektrického článku, spôsobí deformáciu izoteriem v meranom mieste telesa a jednak vznikne teplotný rozdiel spôsobený tokom žiarenia Φ na stykovom tepelnom odpore medzi snímačom teploty a telesom. Hodnoty týchto neistôt majú rovnaké znamienko, takže sa ich účinok sčíta Meranie teploty tuhých telies Meranie teploty vo vnútri telesa je spojené vždy s nutnosťou vyvŕtať do telesa otvor, čo môže spôsobiť narušenie mechanickej pevnosti konštrukcie. Platia podobné zásady ako pri meraní v tekutinách, t.j. zaistiť dobrý prestup tepla z telesa do snímača a malý prestup tepla do prostredia okolo vyčnievajúcej časti snímača. Za predpokladu tepelnej vodivosti telesa λ > 30 W.m -1.K -1 je optimálna hĺbka h daná pomerom D/h = 0,1 až 0,2. Lepšie je zaistiť umiestnenie snímača vo vnútri telesa už pri konštrukčnom návrhu objektu a snímač zabudovať počas montáže. Ak sa použije snímač na elektrickom princípe, potom zvyčajne odpadnú tepelné toky do okolitého priestoru, pretože z telesa sú vyvedené iba vodiče. Pre meranie teplôt tuhých telies sú vhodné plášťové termoelektrické články s izolovaným spojom Meranie povrchovej teploty tuhých telies Pri meraní teploty povrchu telesa dotyk snímača spôsoby zmenu zdieľania tepla medzi telesom a okolitým prostredím v mieste merania, čo spôsobí narušenie teplotného poľa vo vnútri telesa a meraná teplota sa bude líšiť od teploty, ktorá by bola v mieste merania bez snímača teploty. Značným teplotným spádom nad povrchom telesa vzniká na tepelnom odpore v mieste dotyku snímača teplotný rozdiel. Obe uvedené neistoty merania sa sčítajú, takže ak je teplota objektu vyššia než teplota prostredia, nameriame vždy teplotu nižšiu. Pre dotykové meranie povrchovej teploty sú najvhodnejšie termoelektrické články, ktorých vodiče musia mať čo najmenší prierez S t a malý súčiniteľ tepelnej vodivosti λ t. Merací spoj termoelektrického článku je možné prispájkovať na tenkú doštičku, napr. z medi s hrúbkou s a plochou S d a veľkej hodnoty súčiniteľa tepelnej vodivosti λ. Doštička je k povrchu meraného objektu pritlačená alebo priskrutkovaná, pretože aj malá vzduchová medzera by spôsobila neistotu merania. 39

41 Styková plocha S d vodivej doštičky má byť značne väčšia ako prierez S t termoelektrických vodičov, vodiče by mali mať čo najmenší súčiniteľ tepelnej vodivosti λ (dané typom termoelektrického článku), dĺžka vodičov L má byť čo najdlhšia a teplotný spád na vodičoch čo najmenší. Teplotný spád na vodičoch je možné podstatne zmenšiť napr. uložením termoelektrického článku v drážke, ktorá je prikrytá doštičkou z materiálu meraného telesa (Kreidl, 2005). 40

42 2 Cieľ práce Nové konštrukcie vrtákov by mali prinášať zlepšenie tvorby a odvádzania triesky, čo by sa malo prejaviť na kvalite vŕtaných otvorov. Snahou je docieliť taký proces vŕtania, ktorý by umožnil zhotoviť presný otvor bez potreby zaradenia dokončovacích operácii do technologického procesu. Cieľom diplomovej práce je porovnať a zhodnotiť vplyv geometrie vŕtacieho nástroja na proces vŕtania a kvalitu zhotoveného otvoru. Proces vŕtania, v ktorom prebieha vznik a utváranie triesky, ako aj vzájomné pohyby nástroja, obrobku a triesky, je charakterizovaný spotrebovaním energie a vykonaním mechanickej práce, práce trenia a ich premenou na teplo. Hoci je cieľom hodnotiť tepelné javy pri obrábaní, ktorých prejavom je teplota rezania, nedá sa uvažovať o nich izolovane, bez hodnotenia napäťových stavov, ktorých vonkajším prejavom je vznik momentov a síl pri rezaní. 41

43 3 Metodika práce Zhodnotenie vplyvu parametrov vŕtania na rezný proces a na kvalitu obrobeného povrchu bolo vykonané na základe experimentov vykonaných s použitím dvoch rôznych geometrii vrtáka. Bol použitý jeden vrták s bežnej konštrukcie, s klasickou geometriou pre vŕtanie ocelí a jeden vrták zastupujúci nové konštrukčné riešenia, konkrétne vrták s troma reznými hranami. Tieto boli zamerané postupne na zistenie vplyvu jednotlivých parametrov obrábania izolovane, pričom celkové porovnanie dôležitosti vplyvu jednotlivých parametrov vykonané nebolo. Aj vplyv reznej kvapaliny na kvalitu obrobeného povrchu je mnohostranný a rozmanitý. V procese vŕtania nadobúda okrem chladiacej a mazacej funkcie na dôležitosti hlavne čistiaca, resp. vyplavovacia schopnosť. Použitie emulzných kvapalín je možné, treba však dbať na vyváženosť mazacej a chladiacej funkcie. Skúmanie vplyvu koncentrácie emulzie v konkrétnych podmienkach obrábania umožňuje stanoviť vhodné rozpätie koncentrácie vzhľadom na kvalitu obrobeného povrchu a trvanlivosť reznej hrany nástroja. Na dosiahnutie požadovaného cieľa bolo potrebné vykonať merania drsnosti povrchu, profilu nerovností, ako aj merania teploty a reznej sily v priebehu obrábania vŕtaním. 3.1 Charakteristika vzoriek Pre experimenty v oblasti vŕtania sme zvolili vzorky valcového tvaru (obr. 17) kvôli zjednodušeniu merania teploty. Vzorky s dĺžkou 50 mm a priemerom 30 mm boli zhotovené z valcovej tyče priemeru 35 mm. Tyč bola delená pomocou pásovej píly na predpísanú dĺžku s prídavkom na opracovanie čiel vzorky. Materiál vzoriek bol Chemické zloženie a základné mechanické vlastnosti tohto materiálu sú uvedené v tab. 1 a 2. Tab. 1 Chemické zloženie ocele C Mn Si Cr Ni Cu P S 0,42 0,50 0,50 0,80 0,17 0,37 max. 0,25 max. 0,30 max. 0,30 max. 0,040 max. 0,040 42

44 Tab. 2 Mechanické vlastnosti ocele Medza klzu Rp0,2 MPa min. 325 Medza pevnosti Rm MPa min. 540 Ťažnosť A 5 % min. Tvrdosť HB max. 225 Modul pružnosti v ťahu E GPa 211 Modul pružnosti v šmyku G GPa 79 Keďže kvalita valcového povrchu vzoriek má význam pri meraní teplôt, všetky vzorky boli pripravené sústružením na sústruhu SUI-40 za rovnakých podmienok: Otáčky vretena: n = 850 min -1 Rezná rýchlosť: v c = 93,5 m.s -1 Posuv na otáčku: f n = 0,1 mm Prietok RK: Q ch = 1 l.min -1 ISO 6411-A 2,5/5,3 φ x45 Obr. 17 Tvar skúšobných vzoriek Valcový tvar skúšobnej vzorky je navrhnutý kvôli jednoduchej výrobe a aj preto, aby pri prípadnom modelovaní vzorky bolo možné využiť rotačnú symetriu na redukciu modelu z priestorového na rovinný. Priemer obrobku vychádza z možností použiť vrtáky zvoleného priemeru. Zvolený priemer je na dolnej hranici možností pri použití najväčšieho vrtáka z hľadiska zachovania dostatočnej tuhosti steny pri upnutí. Vzorka nie je masívna, tvorba tepla sa aj na povrchu prejaví vzhľadom na hmotnosť pomerne rýchlo. V jednom z čiel vzoriek boli vyvŕtané strediace otvory ISO 6411 A 2,5/5,3 kvôli správnemu zavŕtaniu vrtáka do vzorky. 43

45 3.2 Charakteristika použitých rezných nástrojov Vrták č.1 (HM002) je vyrobený z tvrdokovového (HM, Hard Metal) polotovaru Ø12h6, s dĺžkou 120 mm, s označením HB 44 UF (obr. 18). Povrch materiálu bol brúsený a následne leštený, pričom je dosahovaná predpísaná presnosť rozmeru, tvarová presnosť a drsnosť povrchu. Uhol stúpania skrutkovice λ s je 25, vnútorný uhol drážky sa rovná 0 pri hĺbke drážky nástroja 4,5 mm a celková dĺžka drážky je 65 mm. Šírka fazetky je 0,35 mm a uhol chrbta drážky 10. Vrcholový uhol je 140, uhol chrbta hrotu, hlavnej reznej hrany 10. Uhol odľahčenia je 40. Obr. 18 Tvrdokovový vrták HM002 Jedným z faktorov ovplyvňujúcich proces vŕtania a jeho výsledky je aj otupenie vrtáka. S počtom vyvŕtaných otvorov (alebo celkovou dĺžkou vŕtania) sa jeho otupenie zvyšuje, stúpa rezná sila, zvyšuje sa teplota v zóne rezania a tiež aj stredná teplota obrobku a zhoršuje sa kvalita vyvŕtanej diery (rozmerová presnosť a drsnosť povrchu), pričom ostatné rezné podmienky sa nemenia. Keďže rezné vlastnosti nástrojov posudzujeme na základe spomenutých veličín, musí byť vplyv otupenia nástroja pri dlhodobých skúškach vylúčený tým, že nástroj preostrujeme pri dosiahnutí opotrebenia chrbta VB rádovo menšom, ako je kritérium otupenia. Vrták č. 2 (HC, 3CE) je nástroj s troma reznými hranami, výrobcu ZCC-CT, ZhuZhou, Čína (obr. 19 a 20). Ide o vrták s označením 1165PA Materiál nástroja je povlakovaný SK s označením KDG303: nano TiAlN povlakovaný ultrajemný SK. Porovnanie trvanlivosti nástroja s bežným povlakom a s nanoštruktúrnym povlakom je uvedený na obr

46 Obr. 29 Základná geometria vrtáka s 3 reznými hranami Obr. 20 Vrták s troma reznými hranami počet vyvŕtaných otvorov ks Bežný povlak nc TiAlN (KDG303) TiAlN Obr. 21 Porovnanie trvanlivosti nástroja s povlakom bežným a s nanoštruktúrnym Konštrukcia s troma reznými hranami umožňuje dosiahnuť vysoké posuvové rýchlosti a výbornú schopnosť stredenia, vhodnú aj pre zlé podmienky obrábania, napr. prerušované rezanie, ale aj vysokú spoľahlivosť pri obrábaní. Je to kombinácia ultrajemného substrátu SK (obr. 22) s dobrou pevnosťou, húževnatosťou a odolnosťou voči opotrebeniu. Nanoštruktúrny povlak nc-tialn umožňuje optimalizáciu operácii vŕtania, pretože nástroje zaručujú veľmi vysokú húževnatosť a tvrdosť. Jedinečná technológia povlakovania prináša nástroju hladký povrch a výbornú odolnosť voči opotrebeniu. Výnimočná tepelná a chemická stálosť poskytuje účinnú ochranu rezným hranám. 45

47 a b Obr. 22 Porovnanie štruktúry povlaku bežného a s nanoštruktúrou (ZCC-CT, 2010) a) bežný povlak TiAlN, b) povlak nc-tialn 3.3 Charakteristika podmienok obrábania Rezné podmienky určujú proces obrábania a výsledok obrábania vyvŕtaný otvor. Rezné parametre (rezná rýchlosť, posuv) sú pre každý nástroj všeobecne odporúčané výrobcom. Aj keď dnes existuje delenie obrábaných materiálov do skupín podľa obrobiteľnosti (P, M, K, N, S, H podľa ISO/DIN, resp. tried obrobiteľnosti podľa STN), vždy sa vyskytnú materiály, ktorých obrobiteľnosť nie je úplne preskúmaná, resp. nepatria do žiadnej z uvedených skupín, Vtedy je potrebné overiť rezné parametre experimentálne. Pri určovaní rezných podmienok sme vychádzali z odporúčaní výrobcov. Keďže ide o nástroje značne odlišné (2 rezné hrany voči 3), bolo potrebné zvoliť parametre z odporúčaných rozsahov, kde sa nástroje prekrývali. Z toho vyplýva, že nejde o parametre zo stredu rozsahov, ale z ich okrajových oblastí. Zvolili sme nasledované rezné parametre: a. otáčky: n = 1500 min -1 b. rezná rýchlosť: v c = 56,57 m.min -1 c. hĺbka rezu: a p = 6 mm d. posuv na otáčku: 1. f n1 = 0,10 mm (f m1 = 150 mm) 2. f n2 = 0,16 mm (f m2 = 240 mm) 3. f n3 = 0,25 mm (f m3 = 375 mm) Pre oba typy vrtákov boli použité rovnaké rezné parametre aj ostané podmienky obrábania. Ako rezné prostredie bola použitá rezná emulzia typu olej vo vode reznej kvapaliny Mobilcut 222. Základné charakteristiky tejto reznej kvapaliny sú uvedené v tab

48 Chemická charakteristika: Mobilcut 222 je biostabilná, polosyntetická, vo vode emulgovateľná rezná kvapalina s vyšším obsahom oleja. Je špeciálne navrhnutá tak, aby splnila požiadavky výrobcov obrábacích strojov na minimálny obsah oleja 40% a umožnila vysoké úbery obrábaného materiálu v širokom rozsahu obrábacích operácií. Použite: Vysoký obsah oleja a vynikajúca biologická stálosť, spolu so širokým rozsahom použitia je vhodný výrobok pre väčšinu obrábacích dielní. Odporúčaná koncentrácia : Všeobecné obrábanie 3-10%, Bezhrotové brúsenie 3-10%. Skladovanie: Koncentrát Mobilcut 222 sa musí skladovať v podmienkach zaručujúcich minimálnu teplotu +5 C. Zvolená bola koncentrácia emulzie 5%. Aplikácia reznej kvapaliny bola záplavovým spôsobom, prietok Q = 4 dm 3.min -1. Tab. 3 Charakteristika reznej kvapaliny Mobilcut 222 Názov Mobilcut 222 Vzhľad zelená, nepriehľadná kvapalina Hustota pri 20 o C g/cm 3 ph päťpercentnej emulzie 0,99 9,0-9,5 Typ emulzie Polopriesvitná, zelená kvapalina Test korózie (IP 287) 60/1 vyhovuje 3.4 Charakteristika meracieho zariadenia Vzhľadom na požadovanú presnosť, spracovanie a archivovanie nameraných údajov je potrebné zvoliť číslicový merací systém s digitálnym spracovaním signálu (obr. 23). Číslicové meracie systémy s digitalizáciou na výstupe sa vyznačujú tým, že analógovočíslicový prevodník je napojený na analógový prispôsobovací člen (zosilňovací filter, výpočtový člen a pod.)(obr. 24). 47

49 Stĺpová vŕtačka Držiak so snímačom teploty Napájací zdroj P C Vŕtaná vzorka Predzosilovač snímača teploty Predzosilovač snímača sily Prevodník A / D Snímač sily Obr. 23 Schéma meracej aparatúry (Žitňanský, 2000) Obr. 24 Štruktúra meracieho systému 1 snímač sily, 2 termoelektrický článok, 3 galvanické oddelenie a zosilenie signálu, 4 stabilizovaný zdroj napätia, 5 rozšírená multifunkčná PC karta s A/D prevodníkom, 6 procesor, 7 -zobrazovacie zariadenie, 8 terminál, 9 výstupné zariadenie(tlač) (Žitňanský, 2000) Pre spoľahlivé upnutie vzorky a optimálne snímanie meraných veličín pri vŕtaní slúži upínací prípravok (obr. 25), ktorý sa skladá z nasledujúcich dielcov v základnej doske je nalisované ložisko, do ktorého je osadená príruba s ramenom pôsobiacim na snímač sily, na ktorej je priskrutkované univerzálne skľučovadlo pre upnutie vŕtanej vzorky. 48

50 1 A A Obr. 25 Upínací prípravok so snímačom sily (1-základná doska, 2-univerzálne skľučovadlo, 3- rameno sily, 4-tlmiaca podložka, 5-príruba, 6-držiak snímača sily, 7-snímač sily, 8-ložisko) (Žitňanský, 2000) Meranie teploty Meranie teploty pomocou termoelektrického článku je založené na termoelektrickom jave. Termoelektrický článok je vždy zložený z dvoch vodičov. V uzavretom obvode realizovanom z dvoch vodičov z rôznych materiálov preteká elektrický prúd vtedy, ak majú spoje rôzne teploty. Snímače teploty sú uložené v teflonovom púzdre, ktoré je osadené do prípravku. Prípravok je uchytený priamo do čeľustí skľučovadla. Puzdro je vyrobené z kovovej rúrky. Na zaistenie prípravku proti pohybu v puzdre slúžia dve skrutky (obr. 26). Výstupné napätie z termoelektrických snímačov teploty je zosilnené a galvanicky oddelené v predzosilovači snímaného signálu ADAM 3014 a je privedené na vstupnú svorkovnicu meracej karty PCL 812 PG, prostredníctvom ktorej je napäťový signál spracovaný a vyhodnotený. Činnosť meracej karty v procese získavania, spracovania a uchovania údajov je zadefinovaná v module VisiDAQ Task Designer. 49

51 Obr. 26 Prípravok na upnutie skúšobných vzoriek s vloženými termočlánkami (Kanala, 2006) Meranie rezných síl Snímač sily - rezná sila je meraná pomocou tenzometrického snímača sily Utilcell- M120. Jednoobvodový snímač sily Utilcell M120, je snímač so zaťažovacou bunkou s dvojitým ohýbajúcim sa nosníkom, s deformačným (meracím) elementom zo zliatiny berýlium meď. Aparatúra na meranie rezných síl musí byť citlivá a presná, pretože v prípade voľného rezu je k dispozícií len čiastočný obraz o fyzikálnej podstate rezných síl. Vysoká citlivosť je žiaduca najmä vtedy, keď sa sníma rezná sila ako dynamický jav. Konštrukcia snímača bola upravená tak, aby sa jednotlivé zložky síl neovplyvňovali vzhľadom na výslednú silu. Pružnosť článkov pri deformácii nesmie prekročiť povolené hranice, aby sa neskresľovali fixné parametre článkov. Ciachovacie diagramy musia mať lineárny priebeh. Zhotovená aparatúra musí mať krátku zotrvačnosť. Aparatúru môžeme rozdeliť na jedno-, dvoj-, alebo trojzložkové dynamometre v závislosti od merania jednotlivých zložiek sily. Aparatúra pozostáva z : 1. Pružného článku, ktorý preberá vonkajšie zaťaženie, 2. Snímača, ktorý mení mechanickú veličinu zmeny pružného článku, 50

52 3. Prijímača, ktorý zosilňuje a spracuje signál snímača a zapisuje veľkosť zaťaženia na pružný článok. Pružné články sa zhotovujú sa v tvare dutého valca, pružných pák, dosiek, plochých pružín a pod. Pri preberaní zaťaženia od krútiacich momentov majú tvar pružného hriadeľa, spojky, ozubeného kolesa a pod. Najčastejšie sa používajú pružné dosky; sú kompaktné a ich tvar možno ľahko prispôsobiť pri preberaní vonkajšieho zaťaženia. Odporový snímač: vyžívajú vlastnosť tenkého kovového drôtu, tak že pri predĺžení alebo skracovaní mení svoj ohmický odpor (tenzometrické drôtiky a pásiky). Rezná sila z vrtáku sa prenáša ramenom dlhým 190 mm (L) na snímač sily, ktorý je napojený na predzosilňovač ADAM 3014 (napájaný 24V). Zosilnený signál postupuje do prevodníka PCL 812 PG, ktorý pracuje pod meracím programom VisiDAQ od firmy Advantech. Všetky namerané veličiny je možné sledovať na monitore počas merania, kde sa zobrazujú graficky aj číselne a zaznamenávajú sa do pamäti a na pevný disk počítača. Vychádzajúc z predpokladu, že nameraný krútiaci moment je rovný M k na vrtáku, táto meraná rezná sila sa potom prepočíta na skutočnú hodnotu reznej sily F z pôsobiacu na vrtáku v prípade klasického vrtáka s dvoma reznými hranami podľa vzorca: Fnam. L Fz =,N (5) D 2 V prípade novej geometrie vrtáka s troma reznými hranami je zaťaženie jednej reznej hrany tretinové namiesto polovičného, preto sa prepočet bude vykonávať podľa upraveného vzťahu: kde: F z Fnam. L =, N (6) 3 D 4 - F z1 = F z2 (=F z3 ) = F z - F z - skutočná rezná sila, N - F nam - nameraná rezná sila, N - L dĺžka ramena od osi vrtáka po snímač reznej sily, mm (190mm) - D priemer použitého vrtáka, mm (12mm). 51

53 3.4.3 Meranie drsnosti povrchu Meranie drsnosti povrchu predstavuje odchýlku skutočnej plochy od menovitej plochy v oblasti mikrogeometrie povrchu. Skúšobné vzorky sme merali prístrojom SURFTEST 301 od firmy MITUTOYO Kawasaki (obr. 27). Každá skúšobná vzorka bola meraná trikrát. Výsledná hodnota drsnosti bola aritmetickým priemerom týchto hodnôt. Na tomto meracom zariadení sme zaznamenali : Ra stredná aritmetická odchýlka profilu, μm, Rq stredná kvadratická odchýlka profilu, μm, Rm hĺbka najväčšej priehlbiny profilu, μm, Rz výška nerovnosti profilu z desiatich bodov, μm, Rp výška najväčšieho výstupku profilu, μm, Rmr nosný podiel profilu (t p ), %, Pc počet vyvýšením, 1/ cm, Maximálna pomerná hĺbka nerovností, % Obr. 27 Bloková schéma merania drsnosti Surftest

54 4 Výsledky práce Ako už bolo uvedené, hoci témou diplomovej práce sú predovšetkým tepelné javy a ich vonkajší prejav v podobe rezných teplôt, vzhľadom na silové a napäťové pomery v zóne rezania ich nie je možné uvažovať oddelene. Preto okrem rezných teplôt sú uvedené vo výsledkoch práce aj priebehy rezných síl. Spolu s ostatnými uvedenými výsledkami dokresľujú namerané priebehy teplôt. Vzorkovanie signálu je možné určiť pri navrhovaní meracie reťazca vo VisiDAQ Task Designer. Priebehy rezných síl aj teploty sú zobrazené v závislosti na dráhe posuvu. Rozdielne veľkosti posuvu znamenajú vždy iný čas obrábania, preto čas ako základňa pre zobrazenie priebehov monitorovacích veličín nevyhovuje, je pri každom vŕtaní iný a jednotlivé priebehy sa ťažšie porovnávajú. Ako bolo uvedené, vzorkovanie bolo konštantné, ale časy obrábania so zvyšujúcim posuvom sa skracujú, takže aj počet nameraných hodnôt sa znižuje. To je viditeľné aj na priebehoch napr. rezných síl v počte nameraných dátových bodov. 4.1 Meranie a vyhodnocovanie rezných teplôt Priebehy rezných teplôt pri vŕtaní nástrojom č.1 sú v grafe na obr. 28, priebehy teplôt pri vŕtaní vrtákom č.2 sú v grafe na obr. 29. Jedná sa o priemerné teploty namerané na povrchu obrobku počas vŕtania. Z týchto hodnôt je možné výpočtom alebo matematickým či počítačovým modelovaním zistiť teploty na rezných hranách vrtáka. Iné metódy merania teploty (napr. prirodzený alebo umelý termočlánok) nie sú pri vŕtaní ľahko použiteľné. Okrem problémov s prenosom signálu z rotujúceho nástroja ide aj o použité nástrojové materiály. Dnes už často nejde o homogénne materiály, ale o povlakované nástroje, ich termoelektrická aktivita je potom úmerná stavu opotrebenia povlaku. Pri zmenšení jeho hrúbky alebo úplnom opotrebení sa do kontaktu dostáva materiál substrátu s často úplne inými termoelektrickými vlastnosťami, čo vnáša do merania hrubé chyby. Preto pre porovnávacie účely je vhodné zvoliť radšej jednoduchšiu, ale spoľahlivú metódu merania teploty. Pri rozbore priebehov teploty je možné konštatovať, že teploty so zväčšujúcou sa hĺbkou vyvŕtaného otvoru, resp. dráhou vŕtania rastú. Tento trend je zrejmý hlavne v prvej polovici dráhy. V druhej polovici dráhy dochádza k väčším rozdielom v priebehu teplôt v závislosti od veľkosti posuvu. Kým pri nižších posuvoch dochádza k spomaleniu rastu teploty, pri posuve na otáčku 0,25 mm dochádza k pomerne výraznému rastu teploty. 53

55 Okrem už spomenutých napäťovo-silových účinkov dôležitú úlohu zohráva aj časový faktor. Treba si uvedomiť, že vŕtanie otvoru s posuvom 0,25 mm trvá 2,5 krát kratší čas ako pri vŕtaní s posuvom 0,1 mm. Väčšie vyvinuté teplo za kratší čas nie je natoľko odvedené nástrojom a rezným prostredím. Jeho vyšší podiel v obrobku sa prejaví zvýšením rezných teplôt teplota T ( C) ,10 mm 0,16 mm 0,25 mm dráha L (mm) Obr. 28 Vplyv posuvu na reznú teplotu pre vrták HM002 (2 rezné hrany) V prípade vrtáka č.2 s troma reznými hranami čiastočne platia skôr uvedené úvahy. Priebeh reznej teploty pri vŕtaní s posuvom na otáčku 0,25 mm sa výraznejšie líši od ostatných už od začiatku vŕtania. Rast teploty je strmší ako v ostatných dvoch prípadoch. Inak sa dá povedať, že priebehy sú veľmi podobné. Kým v predchádzajúcom prípade nebol zaznamenaný pokles teplôt ku koncu vŕtania, v prípade vrtáka č.2 je tento pokles viditeľný. Môže to súvisieť s dvoma skutočnosťami. Vrták s troma reznými hranami mal na povrchu povlak. Ten okrem iného ovplyvňuje aj jeho trecí koeficient v styku s materiálom obrobku, ako aj jeho tepelné vlastnosti. Mnohé povlaky tvoria tepelnú bariéru a tak chránia jadro vrtáka (materiál substrátu), ktoré má zvyčajne nižšiu odolnosť voči teplote. Druhou skutočnosťou je iná styková plocha vrtáka s troma reznými hranami. Keďže má tri chrbtové plochy hlavné aj vedľajšie, dá sa povedať, že styková plocha by mala byť väčšia a to znamená aj väčšiu plochu pre odvod tepla. Kombinácia týchto dvoch faktorov spolu s nižším vývinom tepla vďaka povlaku spolupôsobí na vzniku uvedeného priebehu teplôt. Aj z hľadiska porovnania absolútnych hodnôt teplôt, ktoré sú v prípade vrtáka č.2 asi 54

56 o 5 C, resp. maximálne 10 nižšie sa dá usudzovať, že tepelná bilancia procesu vŕtania v tomto prípade je priaznivejšia teplota T ( C) ,10 mm 0,16 mm 0,25 mm dráha L (mm) Obr. 29 Vplyv posuvu na reznú teplotu pre vrták HC, 3CE (3 rezné hrany) 4.2 Meranie a vyhodnocovanie rezných síl Pri hodnotení priebehu rezných síl je dôležité uvedomiť si, že kým pri vrtáku č.1 vytvárajú krútiaci moment sily na dvoch rezných hranách, pri vrtáku č.2 sú sily vytvárajúce krútiaci moment rozložené na troch rezných hranách. Znamená to teda, že pri rovnakých krútiacich momentoch v oboch prípadoch je rezná hrana vrtáka č.2 zaťažená reznou silou o polovicu menšou, ako v prípade vrtáka č.1. Vo všetkých grafoch, ako už bolo uvedené, sú priebehy zobrazené v závislosti na dráhe rezania, nie na čase. Pri rovnakom vzorkovaní dostaneme tak pri posuve 0,25 mm dvaapolkrát menej údajov ako pri posuve 0,1 mm. Meniť vzorkovanie by však z hľadiska metodiky nebolo správne. Priebehy rezných síl pri vŕtaní vrtákom č.1 sú uvedené v grafe na obr. 30. Je vidieť, že jednotlivé etapy vŕtania sú zreteľné odlíšené priebehom rezných síl. Na začiatku, pri postupnom zapájaní rezných hrán do vŕtania rezná sila lineárne strmo rastie. Po zavŕtaní hrotu vrtáka sa rast spomalí, ale naďalej je lineárny. Potom nasleduje časť znázorňujúca priebeh reznej sily pri postupnom zahlbovaní vrtáka s už úplne zapojenými reznými hranami. V tejto fáze je možné pozorovať dva javy. Prvým je kolísanie reznej sily okolo strednej hodnoty. Toto kolísanie je možné vysvetliť periodickým oddeľovaním triesok (hlavne vtedy, ak nedôjde k lomu triesky a táto sa mení 55

57 napr. na stuhovitú) a zároveň nepravidelnosťami v odstraňovaní triesok z otvoru. Druhým javom je postupný rast strednej hodnoty reznej sily, okolo ktorej osciluje. Tento rast je zrejme zapríčinený postupným rastom trenia vedľajších chrbtových plôch (resp. fazetiek) o steny otvoru vplyvom zväčšujúcich sa stykových plôch. K zvýšeniu trenia môžu prispievať aj tepelné dilatácie vrtáka aj otvoru. Čo sa týka hodnôt rezných síl, dá sa povedať, že sa zvyšujú s rastúcim posuvom. Zdá sa však, že tento rast nie je priamo úmerný. rezná sila Fc (N) ,10 mm 0,16 mm 0,25 mm dráha L (mm) Obr. 30 Vplyv posuvu na reznú silu, vrták HM002 (2 rezné hrany) Podobné úvahy je možné uviesť aj v prípade vrtáka č.2 (obr. 31). Pri porovnaní s grafom na obr. 30 je zrejmé, že priebehy rezných síl sú plynulejšie a teda kolísanie rezných síl menšie. Tri rezné hrany rozdelia rovnaký odoberaný objem materiálu na menšie triesky. Oddeľovanie týchto triesok je pravidelnejšie, preto priebeh reznej sily je plynulejší. Ak porovnáme absolútne hodnoty síl, v prípade posuvu na otáčku 0,1 mm vrták č.1 dosahuje maximálnu hodnotu okolo 900 N, vrták č.2 asi 550 N, čo je viac ako o tretinu menej. Ešte viditeľnejšie je to na priebehu rezných síl pri posuve na otáčku 0,16 mm. Vrták č.1 dosahuje maximum takmer N, vrták č.2 asi 850 N. Porovnaním priebehov síl pri najväčšom posuve zistíme pokles reznej sily o tretinu. Okrem rozloženia reznej sily na 3 rezné hrany je však možné badať ešte jednu odlišnosť. Kým v prípade vrtáka č.1 sa priemerná hodnota reznej sily s vyvŕtanou hĺbkou postupne zväčšovala, v prípade vrtáka č.2 to platilo len pri posuve na otáčku 0,1 mm. 56

58 Ďalšie dva priebehy ukazujú iné tendencie. Pri posuve na otáčku 0,16 sa stredná hodnota reznej sily od začiatku do konca takmer nemení. Pri posuve na otáčku 0,25 sa stredná hodnota dokonca mierne znižuje rezná sila Fc (N) ,10 mm 0,16 mm 0,25 mm dráha L (mm) Obr. 31 Vplyv posuvu na reznú silu, vrták HC, 3CE (3 rezné hrany) 4.3 Meranie a vyhodnocovanie drsnosti povrchu Na hodnotenie drsnosti povrchu je možné použiť viacero veličín: Ra stredná aritmetická odchýlka profilu, charakterizuje aritmetický priemer absolútnych hodnôt od strednej priamky v rozsahu základnej dĺžky. Použitie: jeden z prvých parametrov používaných na vyhodnotenie drsnosti povrchu, najviac sa používa v počiatočnej špecifikácii, môže byť klamlivý, resp. zavádzajúci parameter, lebo aj celkom rozdielne povrchy môžu mať tú istú hodnotu Ra a funkcia povrchu je úplne odlišná, vyhodnocuje len priemernú drsnosť povrchu a je necitlivý ku geometrickému rozdeleniu výstupkov a priehlbín, je necitlivý aj k polarite štruktúry povrchu, teda v priehlbine aj výstupku je tá istá hodnota Ra, nezohľadňuje maximálnu hodnotu výstupku, resp. minimálnu hodnotu priehlbiny. Rq stredná kvadratická odchýlka profilu vyjadruje strednú kvadratickú hodnotu odchýlok profilu Z(x) v rozsahu základnej dĺžky. Použitie: je efektívnejší parameter v porovnaní s Ra, a zvyčajne koreluje s Ra, 57

59 parameter drsnosti povrchu Rq je umocnený na druhú, čo je pozitívne, je však v pomere so základnou dĺžkou, má podobné nevýhody ako Ra, je necitlivý ku geometrickému rozdeleniu výstupkov a priehlbín s tou istou hodnotou Rq v priehlbine aj výstupku a nezohľadňuje tiež maximálny výstupok, resp. minimálnu hodnotu priehlbiny. V tabuľke 4 sú uvedené hodnoty drsnosti získané meraním a spriemerovaním nameraných hodnôt všetkých vyvŕtaných vzoriek. Ako je uvedené vyššie, najčastejšie používaným parametrov na hodnotenie drsnosti povrchu je Ra. Keďže však jeho vypovedacia schopnosť nie je dokonalá, v tabuľke sú uvedené aj ďalšie namerané charakteristiky. Je vidno, že sú v úzkom súvise s hodnotami Ra, resp. Rq, väčšinou teda potvrdzujú trendy. Tab. 4 Drsnosť povrchu otvorov nástroj HM002 HC, 3CE f n (mm) 0,10 0,16 0,25 0,10 0,16 0,25 Ra (μm) 2,07 2,39 3,67 0,25 0,46 0,48 Rq (μm) 2,45 3,00 4,50 0,42 0,68 0,60 Rt (μm) 10,6 15,0 20,5 4,4 6,8 5,1 Ry (μm) 8,5 10,8 14,9 1,9 3,0 3,1 Rz (μm) 6,4 7,8 10,4 0,9 1,8 1,7 Rp (μm) 4,2 5,3 7,4 0,6 1,6 1,2 Dá sa povedať, že drsnosť povrchu otvoru je pomerne silno závislá na rezných parametroch, v tomto prípade na posuve. Zvyšujúci sa posuv znamená zhoršenie kvality povrchu a prejavuje sa veľmi podobne vo väčšine charakteristík drsnosti. V prípade klasického vrtáka s dvoma reznými hranami je najnižšia dosiahnutá drsnosť Ra v prípade najmenšieho použitého posuvu na úrovni 2,07 μm, čo znamená zvyčajnú hodnotu drsnosti dosahovanú pri vŕtaní. Dá sa povedať, že vŕtaním s posuvom na otáčku 0,25 mm získavame otvory s kvalitou povrchu, ktorá prekračuje zvyčajne predpisovanú hodnotu Ra = 3,2. Otvory s drsnosťou nad touto hodnotou sa už zvyčajne dokončujú pomocou ďalších technologických operácii, ako napríklad vyhrubovanie a vystružovanie. V prípade vrtáka s troma reznými hranami sú dosiahnuté výsledky odlišné. Jednak ide o rádovo lepšie hodnoty drsnosti, pri posuve na otáčku f n = 0,1 mm hodnota Ra = 0,25 a ešte aj pri posuve na otáčku 0,25 mm bola dosiahnutá výborná hodnota Ra = 0,48. 58

60 Zvýšenie posuvu z 0,16 na 0,25 mm neprinieslo očakávané primerané zhoršenie kvality povrchu, čo aj zodpovedá odporúčaniam výrobcu nástroja, ktorý udáva rozsahy posuvov na otáčku pre väčšinu materiálov 0,2 0,36 mm. Predmetom ďalšieho skúmania by mohlo byť, ako sa takéto vysoké posuvy prejavia na trvanlivosti nástroja. Popísané vzťahy medzi kvalitou povrchu a reznými parametrami pri meniacom sa posuve sú zobrazené aj v grafoch na obr. 32 a 33. Okrem uvedeného je z grafov viditeľný silný súvis medzi parametrami Ra a Rq. Z tohto pohľadu sa vymykajú len hodnoty Rq pre vrták s 3 reznými hranami, pri ktorom posuv na otáčku 0,25 znamenal dokonca zníženie hodnoty Rq. Obrobený povrch bol naozaj kvalitnejší, čo dokazujú aj ostatné charakteristiky drsnosti uvedené v poslednom stĺpci tabuľky ,5 3 Ra ( μ m) 2,5 2 1,5 HW002 HC,3CE 1 0,5 0 0,075 0,095 0,115 0,135 0,155 0,175 0,195 0,215 0,235 0,255 0,275 posuv na otáčku f n (mm) Obr. 32 Vplyv posuvu na strednú aritmetickú odchýlku nerovností profilu Ra Rq (μm) 5 4,5 4 3,5 3 HW002 2,5 HC,3CE 2 1,5 1 0,5 0 0,075 0,095 0,115 0,135 0,155 0,175 0,195 0,215 0,235 0,255 0,275 posuv na otáčku f n (mm) Obr. 33 Vplyv posuvu na strednú kvadratickú odchýlku nerovností profilu Rq 59

61 4.4 Vyhodnocovanie triesok Na obr. 34 až 39 sú fotografie triesok vzniknutých pri vŕtaní v jednotlivých podmienkach obrábania. Všeobecne sa potvrdil trend, že so zvyšujúcim sa posuvom rastie aj dĺžka triesky. Triesky na obr. 34 je možné zaradiť medzi oblúkovité až kužeľovito-skrutkovité delené resp. krátke triesky. Oblúkovité triesky sú kratšie, nenesú stopy výrazného tepelného ovplyvnenia. Vznik kužeľovitej, resp. skrutkovitej krátkej triesky je spojený s väčším pretvorením a tepelným ovplyvnením, čo sa prejavilo na farbe triesky. Triesky na obr. 35 sú zmiešané z viacerých typov. To poukazuje na nestálosť procesu ich tvorby. Okrem kužeľovitých-skrutkovitých (krátkych i zvinutých) je možné vidieť aj tenké stuhovité, resp. ihlové triesky a dlhú stuhovitú triesku. Triesky prvého tvaru majú väčší prierez a aj ich pretvorenie a tepelné ovplyvnenie je väčšie, ako ukazuje ich sfarbenie. Obr. 34 Detail triesok, vrták č.1, f = 0,1 mm Obr. 35 Detail triesok, vrták č.1, f = 0,16 mm Triesky na obr. 36 sú krátke až zvinuté kužeľovito-skrutkovité a stredné stuhovité. Majú väčší prierez, pretvorenie a tepelné ovplyvnenie. Triesky vznikajúce pri vŕtaní vrtákom s troma reznými hranami sú na obr. 37 až 39. Na obr. 37 sú triesky vzniknuté pri vŕtaní s posuvom na otáčku 0,1 mm. Ide o trojuholníkové triesky, takmer pravidelné, bez zjavného tepelného ovplyvnenia, s rovnakým sfarbením ako obrábaný materiál. 60

62 Obr. 36 Detail triesok, vrták č.1, f = 0,25 mm Triesky na obr. 38 pochádzajú z vŕtania vrtákov č.2 s posuvom na otáčku 0,16 mm. Ide o skrutkovité triesky strednej dĺžky, s rovnomerným prierezom a zmenou sfarbenia. Znova poukazujú na stabilitu procesu vŕtania. Obr. 37 Detail triesok, vrták č.2, f = 0,1 mm Obr. 38 Detail triesok, vrták č.2, f = 0,16 mm Triesky na obr. 39 sú dvojakého typu. Zastúpené sú krátke stuhovito-skrutkovité a stredné stuhovito-skrutkovité. Ich sfarbenie je opäť rovnomerné, aj keď poukazuje na určité tepelné zaťaženie, ktorým prešli pri pretváraní. 61

63 Obr. 39 Detail triesok, vrták č.2, f = 0,25 mm 62