Optimalizace procesu při broušení HSS ocelí

Firma Ulmer Werkzeugschleiftechnik z Ulmu, kterou zastupuje v České a Slovenské republice firma Stroje JMK, s. r. o. se zaměřila právě na vysoce výkonné broušení HSS materiálů a zkoušky byly prováděny na jejich nejnovější nástrojové ostřičce WZS700.


Nástroje z oceli HSS si nadále zachovaly velký význam ve speciálních oblastech obrábění, ve kterých by se nemohly nástroje z tvrdokovu uplatnit: Při obrábění tenkostěnných dílců z titanu a při obrábění houževnatých slitin mědi (barevných kovů). Zde používané HSS-řezné materiály jsou většinou slitiny kobaltu, jakož i slinuté materiály, jejichž tvrdost se pohybuje až do 67 HRC a tendence vytvářet při opracování relativně dlouhé třísky opět představuje výzvu pro broušení.

 

Obr. 1: Stopková fréza


Obr. 2: Numrotoplus 3D simulace


Zásadní problematika při broušení HSS-řezných materiálů spočívá v tom, že se jednak pomocí vysokých řezných parametrů realizuje hospodárný proces a jednak se obrobek v žádném případě nesmí nadměrně tepelně zatěžovat. Důležité podmínky, které se musí vzít do úvahy pro hospodárný výrobní proces, je možné definovat snadno: obrobek, brusný kotouč, chladicí a mazací prostředek a nástrojová bruska.



Stroj a systém programování
Na CNC nástrojové brusce WZS 700 Reinecker, představené v loňském roce, je v dalším textu popsáno první obsáhlé HSS-zkušební broušení. Obrábění bylo programováno panem Thomasem Beckerem (aplikační technik firmy Ulmer Werkzeugschleiftechnik GmbH & Co. KG) v programovacím prostředí Numrotoplus, který také stroj pro zkoušku odpovídajícím způsobem připravil.

 


Chladící prostředek
Filtrační zařízení pro chladicí prostředek bylo naplněno základním olejem DiaGrind od firmy Oelheld GmbH ze Stuttgartu, olej měl střední viskozitu a obsahoval jen málo modifikujících přísad. Během zkoušky byl brousící výkon oleje optimalizován cíleným přidáním speciální přísady s ohledem na dosažitelný posuv a zabránění možného spálení materiálu během broušení. O zkoušky se velmi intenzivně staral pan Martin Jäckle z firmy Oelheld GmbH. Čerpadlo filtrační jednotky dodávalo množství chladicího prostředku blížící se maximálnímu výkonu 120 l.min-1 při 10 barech a bylo použito chladící zařízení, které udržovalo teplotní stabilitu oleje.



Brusné kotouče
Na základě silně variabilní geometrie drážky  s prostorem pro odvod třísek se stejně jako dosud používají kotouče s keramickým pojivem a s vysoce výkonným tyčinkovitým korundem (TGX), které se snadno tvarují orovnáváním. CBN kotouče jsou relativně drahé a ekonomicky srovnatelnou alternativu nabízejí pouze pro konkrétní tvary. Při prvním pokusu padla volba na brusné kotouče od firmy Norton, protože zde jsou již k dispozici hodnoty z minulosti. Pro tuto zkoušku měla firma Saint-Gobain Abrasives pros-třednictvím pana Neugebauera k dispozici různé specifikace a aplikační kompetence.



Měření na stopkové fréze
Zkoušky probíhaly na válcové stopkové fréze o průměru 32 mm, s drážkou 36 ° ve šroubovici o délce L= 62 mm a s počtem břitů z = 6. Materiál frézy byl HSS-E Co 5. V následující zkoušce se optimalizuje pouze broušení drážky, protože tato technologie představuje podstatný podíl celkového obrábění.  
Doporučené pracovní hodnoty
Konstantní: řezná délka činila celkem 5,1 mm, hodnota orovnání pak 0,03 mm. Variabilní doporučené pracovní hodnoty, jakož i hodnotící kritéria jsou uvedeny v příslušné zkoušce.



Zkouška 1
S běžně prodejným brusným, konku-renceschopným kotoučem Norton a rov-něž aktuálně osvědčenými přísadami v chladicím prostředku bylo broušeno a vyhodnoceno v každé zkoušce minimálně 12 drážek.
Doporučené pracovní hodnoty V1:
3 x hrubovací cyklus: vc = 60 m.s-1 s posuvem  f1= 800 mm.min-1
1 x cyklus obrábění na čisto: vc = 60 m.s-1 s posuvem  f1= 800 mm.min-1
Nesousledný chod.



Výsledky V1
Doba cyklu: tges = 5,29 min
Max. výkon úběru: 25 %
Zbarvení zapálením: viditelné pouze ve výběhu drážky
Kvalita povrchu: Rz 2,5
Max. hodnota úběru: 8 300 mm³.min-1
V dalších zkouškách se dále systematicky měnily variabilní hodnoty řezných podmínek a také různé strategie při orovnávání.

 

Obr. 3: Grafika hodnoty uběru ze simulace Numroto 3D

 

Částečně se projevilo zřetelné kolísání v odebíraném výkonu, v tepelném zatížení a také v hluku při procesu a tudíž i ve výsledku.



Zkouška 6
Brusným kotoučem ze zkoušky 1 a chladícím prostředkem, optimalizovaným čistým aditivem, bylo v této zkoušce obráběno rovněž 12 drážek:
Doporučené pracovní hodnoty V6:
2 x hrubovací cyklus: vc = 60 m.s-1 s posuvem f1= 500 mm.min-1
1 x cyklus obrábění na čisto: vc = 60 m.s-1 s posuvem f1= 1 000 mm.min-1
Sousledný chod.



Výsledky V6
Doba cyklu: tges = 3,43 min
Max. výkon úběru: 29 %
Zbarvení zapálením: není, negativní kontrola trhlin
Kvalita povrchu: Rz 1,6
Max. hodnota úběru: 14 600 mm³.min-1



Kroky k optimalizaci
Cílenou změnou jednotlivých parametrů procesu se postupně prováděla optimalizace broušení. Významné změny byly způsobeny redukcí pracovních cyklů s větší hloubkou broušení a stanovením rovnoměrné hodnoty odebraného materiálu a rovněž z pozměněného způsobu broušení při výběhu kotouče z drážky. Toto vyžaduje náležitou expertízu pro práci s programovacím systémem.

 

Obr. 5: Nástrojová bruska WZS 700

 

Strategie orovnávání byla zaměřena na maximální schopnost úběru materiálu brusným kotoučem, čímž proporcionálně poklesl potřebný příkon na vřetenu. Výkonové zatížení vřetena zase naopak ovlivňuje celkový proces broušení, ovšem aniž by se zvyšovala produktivita. Potřebný výkon například rapidně stoupá, jakmile se z důvodu působení pasivních sil zvýší tření, a současně se výrazně snižuje úběr. Toto se odpovídajícím způsobem projevuje v tepelném zatížení obrobku, což má za následek změnu zbarvení a trhliny. Uživatel tedy může svůj stroj a jeho výkon efektivně uvést do praxe jen tehdy, je-li celý proces optimalizován. To znamená, že se pro daný obrobek musí použít vhodný brusný kotouč se správnou strategií pro orovnávání i broušení.

 

Obr. 4: Výběh drážky se zabarvením po spálení

 

Vliv a účinek chladícího prostředku jsou důležité, musí se ale také posuzovat jako konstanty a principielně se musí přizpůsobit procesu. Například olej, který byl pro obrábění tvrdokovů optimalizován, je pro obrábění HSS-materiálů vhodný pouze omezeně. Jedinými variabilními veličinami by byl tlak a objemový proud, předpokládá se přívod, směřující přímo na materiál pod kotouč. Požadavky na aktuální 5-osé CNC univerzální brusky jsou v podstatě splněny, přičemž pro efektivní HSS-broušení musí být k dispozici orovnávací zařízení, jakož i dostatečný výkon a množství mazacího prostředku.



Konstrukce stroje
Bruska WZS 700 Reinecker má s výkonem pohonu vřetena 22/ 29 kW a značným kroutícím momentem dostačující potenciál, aby se doporučené pracovní hodnoty realizovaly také u kotoučů o průměru 200 mm, které zaručují vysoce produktivní proces. Stroj disponuje 10-místným výměníkem brusných kotoučů, trysky chladícího prostředku se vyměňují společně se sadou brusných kotoučů. Diamantový orovnávací kotouč je namontován na vřetenu obrobku a umožňuje orovnávání v blízkosti procesu. Podstavec z polymerovaného betonu poskytuje dostatečnou tuhost a tlumení vibrací, pohony s rychlostí os až do 30m.min-1 dávají dostatečnou hybnou sílu. V obou rotačních osách pracují vodou chlazené, přímé pohony (torzní motory). Přímé měřící systémy vysokého rozlišení ve všech osách stroje zajišťují požadovanou přesnost. Tato nová koncepce stroje, doplněná automatizací obrobků, která může být dána do souladu s individuálními potřebami zákazníků, nabízí progresivní alternativu v oblasti nástrojových brusek.


Text: Jiří Macháček

Späť

Aktuálne vydanie

Partnerské periodiká

TriboTechnika


www.tribotechnika.sk

SolarTechnika


www.solartechnika.sk