Prof. Ing. Karel Kocman, DrSc. 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)

Prof. Ing. Karel Kocman, DrSc. 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 :

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.)

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)

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.

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:

- 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)

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

Prof. Ing. Karel Kocman, DrSc. 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.

Definice HSC podle různých autorů

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

Metoda obrábění Řezná rychlost [m.min-1] Soustružení 800 – 8000 Vrtání 100 – 1100 Frézování 560 – 6000 Frézování závitů 120 – 400 Protahování 12 – 70 Vystružování 10 – 250 Řezání 70 – 200 Broušení 6000 – 9500 (100 – 160 m.s-1) Oblasti HSC obrábění podle metody obrábění

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.

Pokles tvrdosti řezných materiálů s teplotou

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.

Úhel Φ lze odvodit z podmínky minimálně vynaložené práce.

F ….. je síla, kterou nástroj působí na odřezávanou vrstvu [N] δ …... úhel řezu Φ …. úhel směru maximálních tečných napětí φ …... úhel tření τk ….. střední kritické kluzové napětí obráběného materiálu v oblasti primární plastické deformace [MPa] ap ….. hloubka řezu [mm] b ….. šířka třísky [mm]

Tečná síla Fs ve střižné rovině je dána: [1] Z rovnice (1) lze stanovit sílu F, kterou nástroj působí na odřezávanou vrstvu: [2]

Cílem řešení je nalezení úhlu Φ, pro který bude síla F minimální a to lze odvodit z podmínky minimálně vynaložené práce: [3] Úpravou rovnice (2) a splněním podmínky rov. (3):

Ze vztahu (4) je zřejmé, že úhel střižné roviny Φ závisí především na úhlu řezu δ a úhlu tření φ : [5] 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.

Protože úhel φ vyjadřuje tzv 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.

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.

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.

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.

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.

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]

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.

Práce řezání Ec při HSC obrábění, potřebná pro 1 minutu obrábění : Ec = Fc . vc [J.min-1] [7] kde: 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: to …..je teplota okolí (zpravidla 20 °C) Teplota třísek tt při soustružení po úpravě rov. (9): kde: to …..je teplota okolí (zpravidla 20 °C)

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]

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

Metody obrábění z hlediska požadavků chlazení a mazání

Podíl nákladů na nástroje a na řezné kapaliny v automobilovém průmyslu

Náhrada broušení HSC frézováním -aplikací PKNB 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.

c) vlivem menšího pěchování třísky se sníží řezné síly o 1/3 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