CZ2010903A3

CZ2010903A3 - Nástroj pro trískové obrábení

Info

Publication number: CZ2010903A3
Application number: CZ20100903A
Authority: CZ
Inventors: Zeman@Pavel; Vána@Jirí
Original assignee: Ceské vysoké ucení technické v Praze, Fakulta strojní, Výzkumné centrum pro strojírenskou a výrobní techniku a technologii
Priority date: 2010-12-07
Filing date: 2010-12-07
Publication date: 2012-08-15
Also published as: CZ303363B6

Abstract

Nástroj pro trískové obrábení, opatrený alespon jedním centrálním vnitrním otvorem (3) chladícího a/nebo mazacího média, který má u ostrí britu na vedlejším a/nebo hlavním hrbetu umísten alespon jede navazující kanálek (6) pro prívod chladícího a/nebo mazacího média propojený s rozvádecím kanálkem (5). Na navazující kanálek (6) na vedlejším a/nebo hlavním hrbetu navazuje drážka (7). U svého cela britu muže být opatren alespon jedním dalším kanálkem (4) pro prívod chladícího a/nebo mazacího média.

Description

Nástroj pro třískové obrábění.

Oblast techniky

Vynález se týká nástroje pro třískové obráběni, opatřeného alespoň jedním kanálkem pro přívod chladícího a/nebo mazacího média. Technické řešení se týká zlepšení chlazení a/nebo mazání vyměnitelné břitové destičky, případně monolitního nástroje, zejména při frézování, ale i soustružení.

Dosavadní stav techniky

Při obrábění materiálu obrobku dochází ke koncentraci tepla v místě řezu. Tento jev nabývá kritického významu zejména při obrábění těžkoobrobitelných materiálů, jako jsou titanové, niklové, kobaltové slitiny a korozivzdomé oceli. Tyto materiály se totiž vyznačují malou tepelnou vodivostí, která způsobuje koncentraci tepla v místě řezu a jeho nedostatečný odvod konvekcí. Zvyšující se teplota řezání způsobuje snižování tvrdostí a modulu pružnosti v tahu řezného materiálu, urychluje mechanismy opotřebení břitu řezného nástroje závislé na teplotě řezání, jako je například chemický a difuzní otěr, a snižuje tak jeho trvanlivost Dalším možným jevem souvisejícím s vyššími teplotami řezání je křehký lom břitu. Vysoká teplota řezání rovněž zhoršuje integritu obrobeného povrchu.

Tyto nepříznivé podmínky obrábění jsou částečně eliminovány chlazením a/nebo mazáním oblasti řezu. Používaná média mají dvě funkce. Mazací, která snižuje tření na rozhraní nástroj-obrobek-tříska a omezuje tak samotný vznik tepla, chladící spočívá v odstraňování již vzniklého tepla médiem.

Při provedené rešerši bylo mezi výrobci nástrojů a v experimentálních pracích nalezeno několik různých variant chlazení/mazání.

Chlazení pomocí stlačeného vzduchu přivedeného k břitu externími přívody-trubicemi neposkytuje v případě těžkoobrobitelných materiálů akceptovatelné výsledky. Tatáž varianta s uvažováním expanze zkapalněného dusíku je ekonomicky nákladná. Další možností je užití

- lích ladící ch/mazacích kapalin tj. emulzí a olejů. Ty mohou být opět přiváděny pomocí externích přívodů-trubic k oblasti řezu. Tento způsob chlazení, při standardním tlaku okolo 0,7 MPa, je v současnosti výrobci nástrojů vnímán jako nepříliš účinný. Jednou z možných modifikací tohoto způsobu chlazení je povodňové chlazení oblasti řezu při vyšších tlacích nebo objemech kapaliny. Lze použít externí i interní přívody chladicích a/nebo mazacích kapalin. Je však zapotřebí zvýšeného průtokového množství a tlaku kapaliny, což je energeticky náročnější. Metoda je sice poměrně efektivní, nelze ji však aplikovat na všech obráběcích strojích. Relativně novou metodou je také tzv. mazání minimálním množstvím maziva (MQL - minimum quantity lubrication). Médiem je v tomto případě aerosol vzduchu a řezného oleje. Metoda může být ekonomicky výhodná - spotřeba oleje se pohybuje řádově v ml/h|4· Ulpíváním aerosolu na nástroji vzniká tenký kluzný film, který snižuje tření na rozhraní nástroj-tříska, a tím i množství generovaného tepla. Samotný odvod již vzniklého tepla není příliš efektivní, proto tato metoda mazání břitu není vhodná pro obrábění materiálů s malou tepelnou vodivostí a v případech potřeby intenzivního odvodu třísek z místa řezu. V současné době je výrobci nástrojů spíše preferován přívod chladicího/mazacího média otvorem vytvořeným podél osy tělesa nástroje, které je dále menšími otvory/kanálky rozvedeno na jednotlivé břity/britové destičky, kde proud média přechází přes čelo břitu a tříští se o odcházející třísku, případně i obrobek. Tato tříska však bezprostředně překrývá oblast nej intenzivnějším vývinem tepla při obrábění, a brání tak jejímu bezprostřednímu ochlazování. Navíc se oblast nej intenzivnějšího opotřebení břitu nástroje při obrábění nachází na jeho hřbetu. U soustružnických nástrojů lze z důvodů eliminace tohoto opotřebení nalézt řešení s externím přívodem media právě na hřbet břitu. U frézovacích nástrojů žádné podobné řešení nebylo nalezeno. Použití podobného konstrukčního řešení totiž znemožňuje rotace frézovacího nástroje.

Cílem řešení je zvýšení efektivity chlazení a mazání břitu nástroje, především u frézovacích nástrojů, přívodem chladicího/mazacího média i na hřbet břitu a snížení intenzity opotřebení nástroje na hřbetu břitu, které je nejčastějším kritériem určování jeho trvanlivosti. Modifikované chlazení/mazání by rovněž mělo umožnit použití intenzivnějších řezných podmínek. Podstata vynálezu

Výše uvedené nedostatky jsou do značné míry odstraněny nástrojem pro třískové obrábění. opatřeným alespoň jedním kanálkem pro přívod chladícího a/nebo mazacího média, podle .-3:- ’ ...... ' ^: tohoto vynálezu. Jeho podstatou je to, že alespoň jeden kanálek pro přívod chladícího a/nebo mazacího média je umístěn u hlavního nebo vedlejšího hřbetu břitu.

Nástroj může být u svého čela břitu je opatřen alespoň jedním dalším kanálkem pro přívod chladícího a/nebo mazacího média.

Pokud je nástroj opatřen alespoň jednou vyměnitelnou břitovou destičkou, pak výusť alespoň jednoho kanálku pro přívod chladicího a/nebo mazacího média na hřbet břitu je umístěna u lůžka vyměnitelné britové destičky. Na kanálek navazují drážky na hlavním a/nebo vedlejším hřbetu vyměnitelné britové destičky.

Lůžko vyměnitelné britové destičky může být vyjímatelné a je opatřené vlastním kanálkem navazujícím na další kanálek.

Chladicí a/nebo mazací médium je přivedeno mezi hřbet břitu a obráběný materiál, kde dochází k efektivnějšímu mazání a chlazení hřbetu břitu, tj. ke snížení teploty nástroje i teploty kontaktu nástroje a obrobené plochy.

Úpravu držáku destiček nebo monolitního nástroje lze provést například pomocí vrtání klasického nebo elektroerozivního, případně frézováním. Chladící drážku do vyměnitelné britové destičky lze při sériové výrobě vytvořit malou úpravou její lisovací matrice, elektroerozivně nebo laserem, do monolitního nástroje opět elektroerozivně, případně laserem. Obě opatření tedy nepředstavují podstatné zvýšení ceny držáku nebo VBD.

Uvedeným řešením bylo dosaženo snížení teploty řezání, což bylo nepřímo prokázáno vyššími hodnotami řezných sil při obrábění za identických podmínek tj. stejný materiál nástroje, obrobku a shodné řezné podmínky. Nižší teploty řezání znamenají sníženou intenzitu opotřebovávání vyměnitelné britové destičky, které se tak zvýší trvanlivost britu při shodném kritériu výměny. Při nižší spotřebě VBD za shodných pracovních podmínek tak dochází ke snížení nákladů na obrábění. Z ekologického hlediska lze vyzdvihnout nižší spotřebu kovů na výrobu VBD (wolfram, kobalt, titan).

'-· ~4~ ’ ’Λλ ,ř

Objasnění ^obrázků na výkresech

Nástroj pro třískové obrábění podle tohoto vynálezu bude podrobněji popsán na konkrétních příkladech provedení s pomocí přiložených výkresů, kde na obr. laje znázorněn nástroj v axonometrickém pohledu, na obr. lb detail axonometrického pohledu s vyměnitelnou britovou destičkou. Na obr. lc je nástroj znázorněn v bokorysu a na obr. Id je znázorněn v pohledu zepředu. Obrázek le znázorňuje řez bokorysu, obr, lf lomený řez a obr. lg řez osou nástroje. Na obr. 2a je znázorněno další možné technické provedení nástroje v axonometrickém pohledu, na obr. 2b je znázorněn detail axonometrického pohledu. Na obr. 2c je znázorněn nástroj v bokorysu, na obr. 2d při pohledu zepředu. Obrázek 2e znázorňuje řez bokorysu, obr. 2f lomený řez a obr. 2g řez osou nástroje. Na obr. 3 je uveden graf závislosti velikosti řezné síly

- \ na způsobu chlazení břitu a na obr. 4 je tabulka Tab. 1 řezných sil. Na Obr. 5 je znázorněna velikost průměrného opotřebení nástroje na hřbetu břitu. Na Óbr,6 je znázorněna velikost maximálního opotřebení nástroje na hřbetu břitu.

Příklady Uskutečněni vynálezu

V prvním příkladu provedení, zahrnuje sestava držák 1 s upnutou vyměnitelnou břitovou destičkou 2. Centrálním vnitřním otvorem 3 pro přívod média je chladicí/mazací médium přivedeno k řezné části nástroje. Zde se potom dělí na soustavu „n“ dalších kanálků 4^ kde „n“ odpovídá počtu vyměnitelných břitových destiček 2, případně násobku počtu břitů/vyměnitelných břitových destiček 2. Proud chladicího/mazacího média tryská z těchto dalších kanálků 4, zaplavuje prostor mezi odcházející třískou a čelem břitu v místě kontaktu břitu nástroje a vznikající třísky. Z centrálního otvoru 3 se větví další soustava ,,η'^ς rozváděčích kanálků 5 a na ně navazující kanálky 6, které přivádí chladicí/mazací medium ke dnu vyměnitelné břitové destičky 2 - lůžku vyměnitelné břitové destičky 2 v držáku L Na otvory jednotlivých navazujících kanálků 6 v držáku 1 navazují drážky 7 vytvořené v hlavním hřbetu vyměnitelné břitové destičky 2. V soustavě se dále nachází uzávěr 8, která uzavírá radiální výstup vzniklý při výrobě rozváděčích kanálku 5.

Druhá varianta počítá se shodným řešením prvků jako v předchozím příkladu. Jediným rozdílem je umístění vyměnitelné břitové destičky 2 do vyjímatelného lůžka 9. Rozváděči ka5·, <

nálek 5 pro přívod média je tak vrtán do držáku 1 i lůžka 9. V lůžku 9 je rovněž vyvrtán nava zující kanálek 6.

V případě monolitního nástroje se jedná o kompaktní nerozebíratelný celek, všechny ostatní prvky jsou shodné s řešením v prvním příkladu. Ústí „n“ navazujících kanálků 6 lze umístit až do těsné blízkosti ostří břitu a nemusí proto být přítomna drážka 7.

Na konstrukci uchycení vyměnitelných břitových destiček 2 nejsou kladeny žádné zvláštní nároky.

Ve všech třech řešeních je tak chladicí/mazací meclium přivedeno mezi hřbet břitu a obráběný materiál, kde dochází k zaplavení oblasti velmi blízké oblasti primární plastické deformace a efektivnějšímu snížení teploty řezání, následně i teploty kontaktu nástroje a obrobené plochy. Úpravu držáku destiček nebo monolitního nástroje lze provést pomocí vrtání - klasického nebo elektroerozivního.

Rozváděči kanálky 5 a navazující kanálky 6 mohou mít libovolný - kruhový i nekruhový, průřez, drážka 7 ve vyměnitelné břitové destičce 2 libovolný tvar, např. čtvercový, obdélníkový, lichoběžníkový půdorys, půlkruhový, obdélníkový, čtvercový i lichoběžníkový průřez.

Uvedená modifikace chlazení řezného procesu byla experimentálně ověřena podle technického řešení uvedeného v prvním příkladu provedení. Nejdříve měřením řezných sil, které nepřímo ukazuje na velikost teploty v místě kontaktu nástroje, obrobku a třísky. Vyšší hodnoty řezných sil, při obrábění shodného materiálu, zde TÍ6A14V, za identických podmínek, odpovídají jeho vyšší pevnosti a tedy i nižší teplotě řezání. Z grafu na obr. 3 a tab. 1 je patrná vzestupná tendence velikosti složek řezné síly, kde Fc-řezná síla, FcN-řezná síla normálová, běžně používaného chlazení čela břitu středem nástroje, inovovaného chlazení hřbetu břitu a kombinace těchto dvou způsobů chlazení, jak průměrných, tak i maximálních hodnot a z nich vyplívající vyšší účinnost varianty chlazení na hřbetu břitu. Chlazení hřbetu břitu vykazuje přibližný nárůst maxim Fc a FcN o 100 N, respektive 130 N, oproti variantě chlazení Čela břiμ < *· ' ^f hodnot řezných sil došlo ke zvýšení o 7°/q (18%). Při variantě chlazení čela i hřbetu břitu bylo další zvýšení složek řezných sil o 2/-5%, pouze v případě průměrné řezné síly normálové došlo k \ x různějšímu nárůstů hodnoty síly (9%). Je led) vidět. že samotný příspěvek chlazení čela ΐυ :iu nástroje je podstatně menší, než chlazeni hřbetu břitu.

E lek ti vita chlazení hřbetu břitu byla rovněž zkoumána při testech trvanlivosti břitu. Na ^ς a 6 jsou zobrazeny výsledky závislosti průměrného a maximálního opotřebení hřbetu málu na čase. Z výsledku je patrná vyšší účinnost chlazení hřbetu+čela břitu oproti variantě chlazení pouze čela břitu. S touto variantou chlazeni řezného procesu bylo vždy dosaženo niž>kíi (maximálních i průměrných) hodnot opotřebeni na hřbetu břitu VB. Je nutné dodat, že v tomto experimentu byly záměrně, pro oblast obrábění titanových slitin, voleny extrémní řezné podmínky. Zejména úhel opásání frézy určený průměrem frézy a radiální hloubkou řezu je pro obrábění titanových slitin značný a podstatné zvyšuje teplo přenesené do nástroje, které silně iiv ňuje trvanlivost břitu. Zvýšením trvanlivosti břitu dochází, při shodném kritériu výměny \ lil) k úspoře nákladu na obrábění.

Na obr. 3 jsou znázorněny řezné síly při frézování 1Í6A14V při řezné rychlosti vc - 75 m/mm.» posunové rychlosti vf - 160 m/min. Chlazeni na čelo břitu, hřbetu břitu a chlazení luhem i čela břitu zároveň. 1 c — řezná síla. l*cN - řezná síla normálová.

Obr.5 : Velikost průměrného opotřebení na hřbetu břitu VB [Vm], řezné rychlosti vc 1 li) m min, axiální hloubka řezu ap = 3.5 mm, radiální hloubka řezu ae - 5 mm. Výsledky pro měření suché?obrábění, obrábění s chlazeným čelem břitu a chlazeným hřbetem i čelem břitu.

A

Obr.6: Velikost maximálního opotřebeni na hřbetu břitu VB_)11JX [lim], řezné rychlosti vc s I H) nymin. ap ^_ 3,5 mm. ae 5 mm. Výsledky pro měření suché/obrábění, obrábění s chlazeným čelem břitu a chlazeným hřbetem i čelem hnitu.

I'i' *m\ > 11y a využitelnost s : í

Nastroj pro třískové obrábění podle tohoto technického- řešení- nalezne uplatnění především při třískovém obrábění tčžkoobrobitulných materiálu. Především se uplatní při frézování, ole i soustružení.

Claims

Nástroj pro třískové obrábění, opatřený alespoň jedním centrálním vnitřním otvorem chladicího a/nebo mazacího média, vyznačující se tím, že u ostří břitu je na vedlejším .i .<>,όο hlavní hřbetu umístěn alespoň jeden navazující kanálek (6) pro přívod chladícího a/nebo mazacího média propojený s rozváděcím kanálkem (5).

Nástroj dle nároku 1, vyznačující se tím, že na navazující kanálek (6) na vedlejším ¹ nebo hlavnúhřbetu navazuje drážka (7).
3 Nástroj podle nároku 1, vyznačující se tím, že u svého čela břitu je opatřen alespoň i \hiim dalším kanálkem (4) pro přívod chladícího a/nebo mazacího média.

i. Nástroj podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že je opatřen alespoň jednou vyměiá icinou břitovou destičkou (2) a výusť alespoň jednoho navazujícího kanálku (6) je umístěna u ib) vyměnitelné břitové destičky (2).

v Nástroj podle nároku 4, vyznačující se tím, že lůžko (9) vyměnitelné břitové destičky 12) je \ yjímatelné.

Nástroj podle kteréhokoliv z předchozí.cKpároků, vyznačující se tím že rozváděči kaná!· ‘k i 5) je na výstupu odvráceném od p»Síod^(3y^atrenTížávěřenf (8X