Slide 1

Ekologické a technologické aspekty HSC*)
obrábění
1. Ekologické faktory technologických procesů
2. HSC obrábění a ekologie průmyslové výroby
3.Teoretické aspekty HSC obrábění
4. Tepelná bilance HSC technologií
5. Náhrada broušení HSC obráběním
6. Obrábění bez chlazení
7. Přednosti HSC obrábění
*) HSC - High Speed Cutting – vysokorychlostní řezání (obrábění)
1


Slide 2

Cílem průmyslové výroby je v souladu
s výrobními postupy a za pomoci technologických
zařízení a práce transformovat výchozí polotovary
do finálních výrobků.
Základní hodnocení technologických procesů
z hlediska jejich vlivu na životní prostředí jsou
faktory, kterými se vyjadřuje působení výroby na
ekologii. Jsou stanoveny na základě analýzy procesu
jako technologického systému a zpravidla se dělí do
čtyř základních skupin :
2


Slide 3

• Technologické faktory – technické, fyzikální a
chemické faktory, které slouží k popisu
technologického postupu (úroveň výroby, efektivnost
a složitost výrobního procesu, zlepšení struktury
výroby, úroveň řezných parametrů, vyšší přesnost a
přizpůsobivost výroby, spotřeba materiálu a energie,
úroveň automatizace, množství škodlivin a odpadů)
• Ekonomické faktory – zahrnují podstatné investiční a
provozní náklady hlavních a pomocných procesů a
další
ekonomické
a
organizační
hlediska
(produktivita, využitelnost materiálu, výnosy
hlavního procesu, použitelnost druhotných surovin,
zisk z procesů ochrany ekologie, atp.)
3


Slide 4

Prof. Ing. Karel Kocman, DrSc.

• Ekologické faktory – obsahují vybrané vlivy
hodnocených environmentálních technologií (prevence
vzniku exhalací a toxických odpadů, podíl využitelných
odpadů, emise hluku a jeho vlivu na životní prostředí,
vliv na flóru a faunu, likvidace odpadů, atp.)
• Sociální faktory – sociální účinky technologického
procesu (personální skladba pracovníků, zvýšení úrovně
řídící činnosti, kultura pracovních podmínek, zvýšení
technologické kázně, poškození zdraví pracovníků,
kvalifikace a vzdělání)

4


Slide 5

Prof. Ing. Karel Kocman, DrSc.

• Současný
stav
strojírenské
výroby
je
charakterizován neustále rostoucími požadavky na
složitost výrobků, tvarovou a rozměrovou přesnost
a integritu povrchu, zejména funkčních ploch
obráběného dílce, zaváděním nových druhů
konstrukčních materiálů, zejména materiálů s nižší
měrnou hmotností a vysokou pevností, titanových
slitin, speciálních vrstvených hmot, polotovarů
vyráběných práškovou metalurgií a metodou
stereolitografie.
5


Slide 6

Rozvoj průmyslu a jeho diverzifikace značně
zvýšily technologická rizika Je zřejmé, že
průmyslové činnosti jsou neoddělitelné od
ekologických dopadů a ekonomického rozvoje.
Enviromentální náklady se zpravidla dělí do
následujících skupin:

6


Slide 7

- Přímé náklady (náklady na prevenci znečišťování a
poškozování životního prostředí, náklady na snížení,
recyklaci, spalování a úpravu nebezpečných odpadů, jež
nejsou klasifikovány jako nebezpečné)
- Správní náklady (environmentální výchova a vzdělání
zaměstnanců, monitorování a měření environmentálních
zátěží a odpadů, náklady na získání environmentálně
bezpečných výrobků)

7


Slide 8

- Náklady na výzkum a vývoj výrobků, které splňují
environmentální kriteria (výrobky šetrnější k životnímu
prostředí)

- Náklady na technologii výroby (splňující
environmentální požadavky )

8


Slide 9

Jednou z možností jak realizovat uvedené cíle je
aplikace HSC obrábění, které zahrnuje mimo
podstatné zvýšení relativní rychlosti nástroje
vzhledem k obrobku i možnost obrábění bez
chlazení a obrábění tepelně zpracovaných ocelí a
dalších velmi tvrdých materiálů, které byly možné
obrábět pouze broušením. Rychlostní obrábění a
především obrábění bez chlazení je třeba
posuzovat mimo jeho vztahu k obráběnému
materiálu také z hlediska ekologického.
9


Slide 10

Definice HSC podle různých autorů

10


Slide 11

Materiál
Řezná rychlost [m.min-1]
Ocel
800 – 1100
Slitiny Ti
150 – 100
Slitiny Ni
160 – 280
Litina
900 – 1600
Slitina Al
3000 – 6000
Plasty zpevněné vlákny 2800 – 8000
Bronz, mosaz
1100 – 3000

Oblasti HSC obrábění pro vybrané druhy materiálů
11


Slide 12

Metoda obrábění
Soustružení
Vrtání
Frézování
Frézování závitů
Protahování
Vystružování
Řezání
Broušení

Řezná rychlost [m.min-1]
800 – 8000
100 – 1100
560 – 6000
120 – 400
12 – 70
10 – 250
70 – 200
6000 – 9500 (100 – 160 m.s-1)

Oblasti HSC obrábění podle metody obrábění
12


Slide 13

Současné řezné materiály zabezpečují
aplikaci HSC obrábění zejména při obrábění
ocelí povlakovanými slinutými karbidy a
cermety, neželezných kovů s nižší tavnou
teplotou
a
nekovových
materiálů
polykrystalickým
diamantem,
litiny
keramikou, kalených ocelí a litin
polykrystalickým kubickým nitridem bóru.

13


Slide 14

Pokles tvrdosti řezných materiálů s teplotou

14


Slide 15

Rozdíly mezi rychlostním a konvenčním
obráběním se výrazně projevují v mechanizmu
tvorby třísky. Oddělování třísky je velmi složitým
procesem, jehož průběh závisí na mnoha činitelích,
zejména na fyzikálních vlastnostech obráběného
materiálu a jejich závislosti na podmínkách
plastické deformace. Obecně platí, že při zvyšující
se řezné rychlosti se oblast plastické deformace
v zóně tvorby třísky zúžuje a ke vzniku třísky
dochází plastickým skluzem v jediné rovině, tzv.
rovině střihu.
15


Slide 16

Úhel Φ lze odvodit z podmínky minimálně vynaložené práce.

16


Slide 17

F …..
δ …...
Φ ….
φ …...
τk …..
ap …..
b …..

je síla, kterou nástroj působí na
odřezávanou vrstvu [N]
úhel řezu
úhel směru maximálních tečných napětí
úhel tření
střední kritické kluzové napětí
obráběného materiálu v oblasti
primární plastické deformace [MPa]
hloubka řezu
[mm]
šířka třísky
[mm]
17


Slide 18

Tečná síla Fs ve střižné rovině je dána:
Fs 

 k .h D .b
sin 

 F . cos 

[1]

Z rovnice (1) lze stanovit sílu F, kterou nástroj
působí na odřezávanou vrstvu:
F 

 k .h D .b
sin  . cos 



 k .h D .b



sin  . cos       90

0



[2]

18


Slide 19

Cílem řešení je nalezení úhlu Φ, pro který bude síla
F minimální a to lze odvodit z podmínky minimálně
vynaložené práce:
dF

0

[3]
d
Úpravou rovnice (2) a splněním podmínky rov. (3):
dF
d

 



K . cos       90

cos   
2

   90

0

0



. sin

2





 0 ....[ 4 ]

19


Slide 20

Ze vztahu (4) je zřejmé, že úhel střižné roviny Φ závisí
především na úhlu řezu δ a úhlu tření φ :

  90 
0

   

[5]

2

Protože úhel φ vyjadřuje tzv. střední součinitel tření, který
obsahuje jednak vnitřní tření v materiálu třísky, jednak
vnější tření mezi třískou a čelem nástroje, bude úhel Φ
ovlivněn všemi řeznými podmínkami, které mají vliv na
velikost úhlu φ.
20


Slide 21

Protože úhel φ vyjadřuje tzv. střední součinitel
tření, který obsahuje jednak vnitřní tření
v materiálu třísky, jednak vnější tření mezi třískou
a čelem nástroje, bude úhel Φ ovlivněn všemi
řeznými podmínkami, které mají vliv na velikost
úhlu φ.
Hned po fyzikálních vlastnostech obráběného
materiálu má největší vliv řezná rychlost vc svým
vlivem na množství vyvinutého tepla.
21


Slide 22

Dále je ovlivněn úhel φ mazacím
médiem,
který
snižuje
součinitel
smykového tření na čele nástroje.
Rostoucí řezná rychlost znamená i vyšší
množství práce, potřebné k řezání, která se
přemění v teplo. Převážná část vzniklého
tepla se odvádí třískou.
22


Slide 23

Při určité řezné rychlosti se náhle změní
fyzikální a chemické vlastnosti třísky a
transformace obráběného materiálu v třísku
probíhá v rovině střihu za vysoké teploty,
která způsobí její podstatné změknutí a
střední součinitel tření f = tg φ se výrazně
zmenší. Tím je značně eliminován vliv
normálové složky řezné síly FN na čele
nástroje, poklesne celkový řezný odpor a
tedy i třecí složka řezné síly Ft.
23


Slide 24

Je-li téměř veškeré vzniklé teplo při
obrábění odvedeno třískou, je minimalizován
vliv energetického působení na vlastnosti
povrchové vrstvy a vznik nežádoucích
reziduálních pnutí po obrábění. Tato pnutí,
často spojené s fázovými přeměnami, jsou
vyvolána plastickou deformací povrchové
vrstvy za působení teploty řezání.

24


Slide 25

V podmínkách HSC obrábění při určité
řezné rychlosti se náhle změní fyzikální a
chemické vlastnosti třísky a transformace
obráběného materiálu v třísku probíhá v rovině
střihu za vysoké teploty, která způsobí její
podstatné změknutí a střední součinitel tření
f = tg φ se výrazně zmenší.

25


Slide 26

Tím je značně eliminován vliv normálové
složky řezné síly FN na čele nástroje,
poklesne celkový řezný odpor a tedy i třecí
složka řezné síly Ft. Důsledkem toho se
zmenší intenzita opotřebení čela nástroje a
úhel střižné roviny Φ se zvětší při značně
zmenšeném úhlu tření φ. (φ  0)

 = 90 - /2

[6]
26


Slide 27

Tepelná bilance řezání
Ke vzniku tepla při HSC obrábění dochází
transformací vynaložené práce. V teplo se
přeměňuje veškerá práce vynaložená na řezání
s výjimkou práce potřebné na pružné deformace a
práce spotřebované na deformaci mřížky kovu a
vytvoření nových povrchů. Při obrábění se cca
98% práce řezání se přemění v teplo.

27


Slide 28

Práce řezání Ec při HSC obrábění, potřebná pro
1 minutu obrábění :
Ec = Fc . vc [J.min-1]
[7]
Fc …. tečná složka řezné síly [N]
vc …. řezná rychlost [m.min-1]
Za předpokladu, že při vysokých rychlostech
řezání se odvede qt procent (cca 99%) vzniklého
tepla třískou, je možné formulovat rovnice pro
vznik a odvod tepla třískami.
kde:

28


Slide 29

Teplota třísek tt při soustružení po
úpravě rov. (9):
tt 

Fc .v c .q .q t
4

10 .m t .c

 t o .....[  C ].....[ 8 ]

kde: to …..je teplota okolí (zpravidla 20 °C)

29


Slide 30

Teplotu je možné také predikovat
z naměřeného efektivního výkonu řezání Pe,
protože tomuto výkonu odpovídá práce
řezání za jednu minutu, která se přemění
v teplo :
Ec = Pe . 60 . 103
[J.min-1] [9]

kde: Pe …. je efektivní výkon [kW]
30


Slide 31

Teplota třísky po úpravě:

tt 

6 . P e .q .q t
m t .c

[  C ]......[ 10 ]

kde: qt …. je podíl tepla přecházejícího do
třísky [%]
q ….. podíl přeměněné práce v teplo [%]
31


Slide 32

Metody obrábění z hlediska požadavků chlazení a mazání

32


Slide 33

Podíl nákladů na nástroje a na řezné kapaliny v
automobilovém průmyslu

33


Slide 34

Konference HSC

•
•
•
•
•
•
•

•
•
•
•

Náhrada broušení HSC frézováním
-aplikací PKNB
-stabilní tvrdost až do 2000°C,
-má výbornou odolnost proti teplotním šokům
-vysokou odolnost proti mechanickému opotřebení
-vysoká řezivost, dovolující řeznou rychlost např. při frézování kalené
oceli a litiny 200 – 400 m/min a šedé litiny kolem 2000 m/min při
posuvech 1000 – 2000 mm/min.
-při frézování kalených vodících ploch obráběcích strojů se dosahuje
rovinnosti 0,01/1000 mm a drsnosti povrchu Ra = 0,6 – 0,8 (m.
-nevýhodou jsou vyšší požadavky na tuhost a dynamickou přesnost
frézovacích hlav
-požadavek na axiální a radiální házení je podle velikosti frézovací
hlavy 2 – 5 (m.
Z hlediska ekonomického:
spotřeba výkonu na odebrání stejného množství materiálu broušením je
průměrně čtyřikrát větší než frézováním.

34


Slide 35

Přednosti HSC obrábění
a) dosažení vysoké kvality obráběného povrchu, zpravidla bez
nebezpečí vzniku nežádoucích reziduálních pnutí
b) zvýšení objemu odebraného materiálu při hrubování cm3.min-1,
resp. při dokončování zvětšení obrobené plochy cm2.min-1
c) vlivem menšího pěchování třísky se sníží řezné síly o 1/3
d) z důvodů vysoké řezné rychlosti je vzniklé teplo převážně
odváděno třískami a výrazně se sníží tepelné zatížení nástroje a
obrobku
e) zpravidla se sníží i pravděpodobnost vzniku chvění, protože
vysoká budicí frekvence otáčení vřetena je mimo oblast samobuzeného
kmitání
f) je možné výhodně aplikovat obrábění bez chlazení, které mimo
ekonomické výhody má i výrazné ekologické dopady
35