Ústav technologie obrábění, projektování a metrologie

(1)

Ústav technologie obrábění, projektování a metrologie

Dokončovací frézování nástroji z CBN a PKD

High surface quality milling with CBN and PKD tools

DIPLOMOVÁ PRÁCE

2021

Šimon Petrášek

Studijní program: VI Studijní obor: VI

Vedoucí práce: Ing. Jiří Sommer

(2)

(3)

(4)

(5)

PROHLÁŠENÍ

Prohlašuji, že jsem tuto diplomovou práci vypracoval samostatně pod vedením Ing. Jiřího Sommera s použitím literatury uvedené na konci mé diplomové práce v seznamu použité literatury.

V Praze …... ...

Šimon Petrášek

(6)

(7)

PODĚKOVÁNÍ

Na tomto místě bych rád poděkoval mé rodině, která mě podporovala v průběhu studia i v průběhu vzniku této práce. Dále bych chtěl poděkovat vedoucímu mé diplomové práce Ing. Jiřímu Sommerovi za odborný dohled, konzultace, vedení a čas, který mi věnoval, a které značně přispěly ke vzniku této práce.

(8)

(9)

Anotační list

Jméno autora: Šimon Petrášek

Název: Dokončovací frézování nástroji z CBN a PKD

Title: High surface quality milling with CBN and PKD tools

Akademický rok: 2020/2021

Studijní program: Výrobní inženýrství

Obor studia: Bez oboru

Ústav: Ústav technologie obrábění, projektování a metrologie Vedoucí diplomové práce: Ing. Jiří Sommer

Bibliografické údaje: Počet stran: 63 Počet obrázků: 40 Počet tabulek: 17

Klíčová slova: Zrcadlový povrch, frézovaní, vysoce přesné obrábění, PKD a CBN nástroje, strojní leštění

Keywords: Mirror-like finish, milling, high precision machining, PKD and CBN tools, machine polishing

Anotace: Tato diplomová práce se zabývá experimentálním stanovením optimálních řezných podmínek pro obrábění nástroji PKD a CBN. Rešeršní část shrnuje předpoklady pro dosažení zrcadlového povrchu obráběné součásti.

Annotation: This thesis deals with the experimental determination of optimal cutting conditions for machining with PKD and CBN tools. The review part summarizes the requirements for achieving a mirror-like surface of the machined part.

(10)

(11)

OBSAH

ÚVOD ... 13

1. REŠERŠNÍ ČÁST ... 14

1.1. Výroba optických forem ... 14

1.1.1. Vysoce přesné obrábění ... 14

1.1.2. Electric Discharge Machining – elektroerozivní obrábění (EDM) ... 15

1.1.3. Electrochemical Machining – elektrochemické obrábění (ECM) ... 15

1.1.4. Broušení ... 16

1.2. Výroba zrcadlových povrchů ... 17

1.2.1. Lapování ... 17

1.2.2. Leštění ... 18

1.3. Stroje ... 19

1.3.1. HAAS – VF 1 YT EU ... 19

1.3.2. Okuma MU-400V2... 20

1.3.3. KERN – Micro Vario ... 22

1.3.4. YASDA YMC 430 Ver. III ... 23

1.3.5. Makino IQ 300 ... 25

1.3.6. Krause a Mauser Group – PRÄZOPLAN 300 ... 27

1.3.7. Röders RHP 500 ... 28

1.4. Nástroje ... 30

PKD ... 31

CBN ... 31

1.4.1. NS Tool ... 31

1.4.2. Union Tool ... 32

1.4.3. 6C Tools ... 33

1.5. Materiál vstřikovací formy ... 33

1.5.1. Bohler W 720 VMR ... 34

1.5.2. Udeholm POLMAX ... 35

1.6. Metody měření topografie povrchu ... 35

1.6.1. Kontaktní skenování profilu ... 36

1.6.2. Koherenční skenovací interferometrie ... 37

1.6.3. Konfokální mikroskopie ... 38

1.6.4. Měření elektronovým mikroskopem ... 39

1.6.5. Další metody hodnocení povrchu ... 41

2. PRAKTICKÁ ČÁST ... 42

(12)

2.1. Materiál ... 42

2.2. Nástroje ... 42

2.3. Technologické podmínky ... 43

2.4. Test – POLMAX ... 46

2.4.1. Kompenzace teplotních deformací ... 47

2.4.2. Řezné podmínky ... 48

2.5. Test – Bohler W 720 VMR ... 50

2.5.1. Měření kvality povrchu ... 51

3. ZÁVĚR ... 57

ZDROJE ... 58

Seznam obrázků ... 62

Seznam tabulek ... 63

(13)

13

ÚVOD

Tato práce má za cíl shrnout teoretické předpoklady pro obrábění vysoce přesných, zrcadlových ploch pomocí CBN a PKD nástrojů. Praktická část, podložena informacemi z rešeršní části, se bude zabývat stanovením optimálních řezných podmínek pro dosažení zrcadlových povrchů, aplikovatelných na výrobu forem LED diody.

Frézování přesných zrcadlových ploch se uplatňuje při výrobě optických prvků a optických forem pro vstřikování plastů. Tyto formy bývají zhotoveny z otěruvzdorných a vysoce pevných slitin, jejichž obrábění vyžaduje použití odolných nástrojových materiálů.

Kvalita obrobeného povrchu se promítá do optických vlastností zhotoveného výrobku. Chladnoucí plastový výlisek přebírá povrchový reliéf formy. Mají-li mít součásti, zhotovené touto technologií, určité optické vlastnosti, je zrcadlový povrch funkčních ploch formy nezbytností.

Nejčastěji se formy vyrábí frézováním, elektroerozivním a elektrochemickým obrábění případně broušení. Dále je nutné povrch opracovat do zrcadlového lesku.

K tomu slouží technologie leštění a lapování. V případě postprocesingu tvarově složitých ploch, jakými jsou formy LED diod, nelze těmito technologiemi dosáhnout předepsané rozměrové a geometrické tolerance. Limitující faktor představuje i samotná proveditelnost na tvarově složité ploše. Řešením je modifikace parametrů frézovacího procesu a jeho optimalizace za účelem dosažení vysoce lesklých ploch s drsností menší než Ra 0.2 μm. [1]

(14)

14

1. REŠERŠNÍ ČÁST

Schopnost výroby finálních povrchů v optické kvalitě nabírá celosvětově velký význam. Výrobní odvětví, zabývající se produkcí optických senzorů, vláken, forem, světelných zdrojů, zvyšují své nároky na maximální možnou kvalitu povrchu přímo z výrobního stroje. Současně se klade důraz na minimalizaci množství manuální práce, která může být zdrojem chyb, pomocí automatizace. Výzkum, sledující tyto cíle, si klade za úkol optimalizovat vlastnosti obrobeného povrchu. Z výsledků vyplývá, že dosažitelnost nejlepšího možného výsledku nelimituje pouze použitý stroj, ale širší skupina činitelů, jako stroje, nástroje, řezné podmínky a materiály. [2]

1.1. Výroba optických forem

Procesy výroby optických forem se značně liší od běžné výroby. Obrobky musí splňovat přísné požadavky na rozměrovou přesnost a kvalitu povrchu. Tyto požadavky budou schopny splnit především technologie, které odebírají velmi tenkou vrstvu materiálu.

1.1.1. Vysoce přesné obrábění

Vysoce přesné obrábění se řadí mezi nejpoužívanější metody výroby optických forem. Díky dosahované přesnosti polohování v řádu nanometrů je zaručena dobrá rozměrová přesnost formy spolu s kvalitou jejího povrchu. [17]

Vysoce přesné obrábění klade vysoké požadavky na obráběcí stroj, který se od běžně dostupných fréz či soustruhů liší v celé řadě aspektů, jakými jsou vysokootáčková vřetena, kontrola teploty, pokročilé konstrukční materiály a další. Specifika vysoce přesných obráběcích strojů dále popisuje kapitola 2.3. [17]

Kvalita používaných nástrojů hraje taktéž významnou roli. Nástroje musí být velmi ostré, aby přesně obrobily povrch bez otřepů a dalších povrchových vad. Běžně používaným nástrojovým materiálem je diamant, schopný vytvořit velmi ostrý břit.

Drsnost obrobených součástí pak může dosahovat hodnoty Ra nižší než 10 nm. Více se nástrojovým materiálům věnuje kapitola 2.4. [17]

Kvalitu obrobku ovlivňují i řezné podmínky. V případě vysoce přesného obrábění se používají vysoké řezné rychlosti a malé hloubky řezu. Obráběcí proces je pak stabilní, bez

(15)

15

vibrací, což se promítá i do kvality povrchu, stejně jako použití procesní kapaliny.

Kapalina evakuuje třísky z místa řezu, snižuje tření mezi nástrojem a obrobkem, což recipročně stabilizuje obrábění. [17]

1.1.2. Electric Discharge Machining – elektroerozivní obrábění (EDM)

Princip fungování EDM neboli elektroerozivní obrábění spočívá v termo-elektrickém úběru materiálu. Nástroj a obrobek jsou ponořeny v dielektriku, v mezeře mezi nimi probíhá série elektrických výbojů, jež odebírají materiál. Úběr materiálu probíhá nejen na obrobku, ale v menší míře i na elektrodě. Metodu lze použít k obrobení vodivých a polovodivých materiálů. Pokud je obráběcí proces modifikován a elektroda má tvar negativu kavity, lze vytvořit i formu pro vstřikolis. [17]

Mezi přednosti této technologie se řadí přesnost výroby spolu s možností výroby více výrobků najednou. Nevýhoda je opotřebování elektrody a kvalita povrchu. Optické formy vyrobené elektroerozivním obrábění dosahují přesnosti 10 μm a drsnosti 0,85 μm.

Pro optickou aplikaci EDM je tedy potřeba opracovaný povrch dále upravit leštěním, broušením či lapováním. [17]

1.1.3. Electrochemical Machining – elektrochemické obrábění (ECM)

Elektrochemické obrábění spočívá v anodickém rozkladu kovu pomocí upraveného procesu elektrolýzy. Nástroj a obrobek jsou zapojeny jako anoda a katoda. Mezera mezi nimi je vyplněna elektrolytem, přivedením elektrické proudu dochází k chemické reakci

Obrázek 1: Schéma fungování EDM [29]

(16)

16

odebírající tenkou vrstvu materiálu z obrobku, která je odnášena proudícím elektrolytem. [17]

ECM vyniká nad tradiční technologie obrábění vysokým úběrem materiálu, použitelností bez ohledu na tvrdost obráběného materiálu, nulovým opotřebením nástroje a kvalitou finálního povrchu. Běžně dosažitelná drsnost povrchu se pohybuje mezi 0,4 až 0,2 μm, za vhodných podmínek klesá hodnota Ra až na 0,06 μm. Metoda je tak vhodná pro obrábění i pro dokončování povrchu třískově obráběné součásti. Mezi nevýhody patří vyšší pořizovací náklady strojů s technologií ECM, stejně jako možnost obrábět pouze vodivé materiály. [17]

1.1.4. Broušení

Technologie broušení spočívá v úběru materiálu za pomocí brusných zrn. Brusné nástroje tvoří mnoho brusných zrn vázaných pojivem a jsou dodávány v různých formách, například jako kotouče či pásy. [17]

Vysoké hodnoty parametru Ra u broušených povrchů vyžadují použití dalších operací (leštění, lapování) pro zlepšení optických vlastností. Avšak poslední vývoj v oblasti broušení si dává za cíl zlepšit kvalitu opracovaného povrchu, čímž by odpadla nutnost použití zmíněných dokončovacích operací. V případě broušení optických součástí kotoučem se zrny diamantu nebo kubického nitridu bóru, dosahuje drsnost povrchu hodnot okolo 10 nm. Výsledek broušení ovšem silně závisí na opotřebení nástroje, obráběném materiálu a procesních parametrech. [17]

Obrázek 2: Schéma fungování ECM [28]

(17)

17

Hlavními výhodami této technologie jsou přesnost a možnost obrábět tvrdé a křehké materiály – sklo, keramika, karbidy, vysokopevné oceli a polovodičové materiály.

Nevýhody představuje omezené spektrum obrobitelných tvarů, malý úběr materiálu na jeden průchod a dlouhý čas obrábění. [17]

1.2. Výroba zrcadlových povrchů

Zrcadlový povrch se definuje jako vysoce hladký, lesklý povrch součásti, nejčastěji dosažitelný technologiemi lapování, mechanického nebo elektrolytického leštění.

1.2.1. Lapování

Lapování je dokončovací obrábění, při němž brusná zrna odebírají z obrobku třísky a plasticky deformují výstupky na povrch. [17] [18]

Na rozdíl od broušení, není brusivo vázáno v nástroji, ale přivádí se mezi lapovací nástroj a součást v podobě pasty nebo kapaliny. Lapovací nástroj musí mít tvar negativu opracovávané plochy. Nepravidelným pohybem nástroje vůči obrobku dochází k přesunu brusných zrn, potažmo k jejich řeznému pohybu. Lapování lze provádět ručně nebo strojně. [17] [18]

Cílem lapování je zlepšení rozměrové přesnosti součásti spolu s jakostí jejího povrchu. Při použití strojního lapování lze dosáhnout povrchové drsnosti Ra až 1 nm a rozměrové přesnosti v řádech desítek nanometrů. Vysoká přesnost znamená i dlouhé

Obrázek 3: Schéma fungování broušení [30]

(18)

18

obráběcí časy. Dále není tato technologie vhodná pro opracování malých součástí s různorodými tvarovými plochami. [17] [18]

1.2.2. Leštění

Jedná se o dokončovací metodu zaměřenou čistě na úpravu vzhledu, nikoli na upravení rozměrů součásti, úběr materiálu je tedy velmi malý. Obráběcími technologiemi jsou definovány geometrické rozměry součásti, leštěním se pouze zahlazují stopy po předcházejících výrobních operacích. Vlastnosti výsledného povrchu závisí na opracovávaném materiálu, jakožto i na provedení operace. [17] [18]

Nejlepší výsledek zaručuje postup o třech krocích. Prvním krokem je hrubování pomocí textilních pásů s pevně přichycenými brusnými zrny. Druhý krok vyžaduje jemné leštění s brusivem rozptýleným v olejích nebo pastách. Konec operace představuje rozleštění pouze textilním kotoučem nebo pásem. Třením látky o součást vzniká teplo, které změkčí povrch a přítlak plasticky deformuje vrcholky nerovností, čímž je vyhladí.

[17] [18]

Leštění lze rozdělit na strojní, ruční a elektrochemické. Ruční leštění umožňuje opracování menších, komplexnějších a hůře dostupných ploch výrobku. Jeho výsledek však silně závisí na zkušenostech leštiče. Elektrochemické leštění využívá k úpravě povrchu elektrický proud a chemickou lázeň. Lázeň odplavuje nečistoty a atomy kovu, uvolňující se z povrchu, čímž vzniká lesklý a celistvý povrch. [17] [18]

Obrázek 4: Schéma fungování lapování [18]

(19)

19

1.3. Stroje

Na kvalitu finálního povrchu obrobku má velký vliv obráběcí stroj. Jeho volba ovlivňuje zbylé činitele vstupující do procesu obrábění, jako jsou použité nástroje, řezné podmínky nebo volba obráběného materiálu.

Pro praktické řešení problematiky frézování zrcadlových povrchů je nejlépe zvolit specializovaný stroj určený pro obrábění forem s vysokou přesností. Takto specializované stroje se od běžných CNC frézek liší především v konstrukci. Znalost těchto odlišností je nezbytná k optimalizaci obráběcího procesu na strojích, které jsou běžně dostupné v halových laboratořích Fakulty strojní ČVUT, kde bude testování probíhat.

Následuje porovnání strojů pro frézování forem od několika výrobců s běžně dostupnou frézkou od firmy HAAS a strojem Okuma na němž bude testování probíhat.

Toto srovnání slouží k lepšímu porozumění metodiky výroby forem. Pochopení principů fungování stroje a jeho částí hraje nezanedbatelnou úlohu v praktické části práce, především z hlediska optimalizace obráběcího procesu na dostupném vybavení.

1.3.1. HAAS – VF 1 YT EU

Společnost HAAS vyrábí své obráběcí stroje s důrazem na jednoduchost konstrukce.

V základní výbavě je kapalinou chlazené vřeteno, litinový rám, upínání nástrojů pomocí kužele BT 40. Pohon vřetena není přímý, ale realizovaný ozubeným řemenem. [6]

Nabídka obsahuje širokou škálu modifikací a příslušenství, včetně vysokootáčkových vřetenových jednotek. Stroj je zde popisován ve své výchozí konfiguraci, bez příplatkové výbavy. [6]

Obrázek 5: Stroj HAAS – VF 1 YT EU [6]

(20)

20

Tabulka 1: Parametry stroje HAAS [6]

Rozsah v ose X 508 mm

Rozsah v ose Y 508 mm

Rozsah v ose Z 508 mm

Maximální otáčky vřetene 10 000 ot. /min.

Upínání nástrojů BT 40

Max. posuv při obrábění 16.5 m/min

Chlazení vřetena kapalina

Materiál základny litina

Pohon os elektromotory s kuličkovými šrouby

Vedení os valivé

Přesnost [5]

Přesnost polohování: 5 μm

Opakovatelnost: 2,5 μm 1.3.2. Okuma MU-400V2

Okuma MU-400V2 je pětiosé vertikální obráběcí centrum. Koncepčně vychází ze série MB-V. Vedení osy X a Z spolu s vřetenem nese dvojitý sloup, který navazuje na spodní část nesoucí stůl a vedení osy Y. Pro zvýšení tuhosti obsahuje rám řadu vyztužujících žeber. Stroj je osazen příplatkovým vřetenem s 15 000 ot. /min a upínáním nástrojů typu HSK [38] [39]

Pracovní stůl lze naklápět v osách A a C díky jeho umístění na speciální závěsné konstrukci. Převod rotačního pohybu motoru na polohování stolu obstarává hypoidní ozubení. [38]

Přesnost obrábění zvyšují přímo ve stroji zabudovaná ložisková pouzdra. A díky symetrické konstrukci stroj lépe zvládá predikovat a eliminovat teplotní deformace. [38]

(21)

21

Tabulka 2: Parametry stroje Okuma [38] [39]

Přesnost [39]

Přesnost stroje Okuma MU-400V2 výrobce neudává, přiložené hodnoty byly dosaženy strojem z řady MB-V.

Přesnost polohování: 2,4 μm

Opakovatelnost: 1,3 μm

Upínání nástrojů HSK

Max. posuv při obrábění 32 m/min

Materiál základny -

Obrázek 6: Okuma MU-400V2 [38]

(22)

22 1.3.3. KERN – Micro Vario

Kern Micro Vario je určen pro mikroobrábění. Stroj se vyznačuje především vysokootáčkovým vřetenem, menším pracovním prostorem oproti VF 1 a upínáním nástrojů pomocí HSK systému. Pohon vřetene je zajištěn přímo připojeným elektromotorem. [7]

Tabulka 3: Parametry stroje KERN [7]

Upínání nástrojů HSK – E 40

Chlazení vřetena -

Materiál základny ultra vysokohodnotný beton

Obrázek 7: Stroj KERN – Micro Vario [7]

(23)

23

V základní konfiguraci má stroj instalovanou čtvrtou a pátou osu, s možností chlazení skrz nástroj. Víceosé obrábění může probíhat kontinuálně. K volitelným prvkům patří široká škála vřeten, nejvýkonnější z nich dosahuje až 80 0000 ot./min. [7]

Firma KERN u svých strojů klade velký důraz na minimalizaci vlivu teploty při obráběcím procesu. Z toho důvodu je na základnu stroje použit ultra vysokohodnotný beton (UHPC), který dosahuje podobných vlastností jako granit. Nosné prvky konstrukce jsou vyráběné z tvrzeného hliníku, jimiž vedou chladící kanálky. Chladící kanálky spadají do systému managmentu teploty, jenž kontroluje a udržuje konstantní teplotu součástí stroje. Systém umožňuje udržet konstantní teplotu s odchylkou ± 0,075 K. [7]

Přesnost [7]

Přesnost polohování: 1,5 μm

Opakovatelnost: 1 μm

Nejnovější obráběcí centrum společnosti KERN využívá hydrostatické vedení a lineární elektromotory. Spojení již zmíněných konstrukčních vylepšení ještě více zlepšuje přesnost a řízení teploty stroje, čímž se přesnost i opakovatelnost sníží o 0,5 μm. [7]

1.3.4. YASDA YMC 430 Ver. III

Yasda YMC 430 je frézka přímo specializovaná na mikrofrézování forem. Pro maximální tuhost má rám tvar písmena H. Lineární motory zvyšují přesnost stroje a umožňují lepší kontrolu teploty. Pro uchycení nástrojů do vysokootáčkového vřetena

Obrázek 8: Schéma rozmístění chladicích kanálků ve stroji KERN [7]

(24)

24

slouží systém upínání HSK. Volitelné příslušenství, v podobě laserového snímače opotřebení nástroje, také přispívá k přesnosti stroje. [8] [9]

Speciálnímu zaměření stroje odpovídá i možnost nainstalovat vysoce výkonné vřeteno s 80 000 ot/min určené pro dokončovací operace optických forem. [8] [9]

Tabulka 4: Parametry stroje YASDA [8] [9]

Materiál základny litina

Pohon os lineární motory

Vedení os -

Podobně jako firma Kern i Yasda klade důraz na kontrolu teploty konstrukčních prvků stroje. Základní výbava frézky obsahuje chlazení lineárních motorů všech os a vřetena.

Obrázek 9: Stroj YASDA YMC 430 Ver. III [8]

(25)

25

V závislosti na požadavcích zákazníka může být chlazen H rám a základna osy Z. Systém teplotní stabilizace teplotního zkreslení si dává za cíl minimalizovat rozměrové změny stroje v závislosti na teplotě, jež by mohly nepříznivě ovlivnit proces obrábění, především pak rozměrovou přesnost obrobku. [8] [9]

Přesnost [8]

Opakovatelnost: 0,1 μm 1.3.5. Makino IQ 300

iQ300 je specializovaný stroj, určený přímo pro výrobu forem malých dílů. Potřebnou přesnost dosahuje výrobce osazením lineárních motorů, izolací rámu stroje, kvalitním valivým vedením. Na rozdíl od předchozího výrobce neobsahuje volitelná výbava vřeteno s vyšším počtem otáček, než 45 000. Ke stroji je volitelně dodáváno automatické měřicí zařízení délky nástroje. [10]

Chlazení stroje spočívá v oběhu a chlazení oleje ve vřeteni a lineárních motorech.

Teplotní charakteristiky stroje taktéž zlepšuje použití izolace pod vnějším pláštěm stroje.

Nejpokročilejší nástroje pro minimalizaci teplotních vlivů na obrábění představuje chlazení rámu stroje a kontrola teploty vzduchu vháněného do pracovní komory, které jsou součástí volitelné výbavy. [10]

Obrázek 10: Schéma chladicích okruhů ve stroji YASDA [8]

(26)

26

Tabulka 5: Parametry stroje Makino [10]

Pohon os lineární motory

Přesnost [10]

Opakovatelnost: 0,5 μm

Obrázek 11: Stroj Makino IQ 300 [10]

(27)

27

1.3.6. Krause a Mauser Group – PRÄZOPLAN 300

Frézovací centrum PRÄZOPLAN 300 ve své konstrukci spojuje aerostatické vedení os X a Y, granitovou základnu, rám ze svařované oceli a vřeteno s 35 000 ot. Firma dodává i pokročilejší model vřetena s 80 000 ot. [11]

Již dříve zmíněné stroje spojuje koncept eliminace teplotních vlivů na přesnost obrábění. PRÄZOPLAN 300 je založen na odlišném přístupu. Maximální přesnosti dosahuje eliminací vibrací, vysokou tuhostí a dynamikou. Masivní granitový blok poskytuje rámu potřebnou tuhost a plochu pro aerostatické vedení ve směru os X a Y.

Aerostatické vedení má tu výhodu, že se funkční plochy nedotýkají, vedení se tedy neopotřebovává a zároveň zde nedochází k přenosu vibrací. Výrobce provedl redukci hmotnosti pohyblivých částí, čímž snížil setrvačné síly a dynamika se zvýšila. [11]

Obrázek 12: Stroj PRÄZOPLAN 300. [11]

Obrázek 13: Schéma konstrukce stroje PRÄZOPLAN 300 [11]

(28)

28

Tabulka 6: Parametry stroje PRÄZOPLAN [11]

Materiál základny granit/ocel

Pohon os elektromotor s kuličkovými šrouby

Vedení os aerostatické

Přesnost [11]

Opakovatelnost: 0,4 μm 1.3.7. Röders RHP 500

Konstrukce a konfigurace stroje RHP 500 se zaměřuje především na dosažení maximální přesnosti. Z toho důvodu stroj obsahuje hydrostatická vedení os, kontrolu teploty hydrostatického oleje, lineární motory, kontrolu a řízení teploty rámu. [19]

Výrobce Röders se vyznačuje instalací váhové kompenzace osy Z, jež zajišťuje působení konstantní síly na vedení osy Z v průběhu polohování. Toto patentované řešení minimalizuje vliv setrvačných sil na přesnost polohování. [19] [20]

Předinstalovaný řídící systém obsahuje mimo jiné i program pro minimalizaci vibrací nástroje. Operátor nastaví přípustný rozsah otáček vřetena, přičemž stroj v průběhu obrábění automaticky nastavuje optimální otáčky, tak aby vibrace ovlivnily přesnost obrobeného povrchu co nejméně. [21]

(29)

29

Tabulka 7: Parametry stroje Röders [19] [20]

Pohon os lineární motor

Vedení os hydrostatické

Přesnost [19] [20]

Opakovatelnost: -

Obrázek 14: Stroj Röders RHP 500. [19]

(30)

30 Shrnutí

Všechny uvedené typy frézovacích center od sebe odlišují různá konstrukční řešení.

Avšak u výrobců specializovaných strojů určených k přesnému obrábění je patrné, že se téměř všichni snaží minimalizovat vliv teploty na geometrii stroje. Mezi společné rysy patří taktéž vysokootáčková vřetena, zajišťující vysokou obráběcí rychlost, a použití upínání typu HSK. Kužel HSK zajišťuje lepší opakovatelnost uchycení nástroje do vřetene ve směru osy Z. V neposlední řadě lze také pozorovat snahu aplikovat lineární motory a nekonvenční typy vedení, to vše v zájmu snížení nepřesností v systému a pasivních odporů.

Tabulka 8: Srovnání opakovatelnosti a přesnosti polohování strojů

Stroj Přesnost polohování

[μm]

Opakovatelnost [μm]

HAAS – VF 1 YT EU 5 2,5

Okuma MU-400V2 2,4 1,3

KERN- Micro Vario 1,5 1

Yasda YMC 430 Ver. III 1 0,1

Makino IQ300 1 0,5

PRÄZOPLAN 300 1 0,4

Röders RHP 500 1 -

1.4. Nástroje

Pro zhotovení vstřikovacích forem se zpravidla používají velmi pevné slitiny s tvrdostí vyšší než 30 HRC, které dobře odolávají otěru. Vlastnosti těchto těžkoobrobitelných materiálů vylučují použití obráběcích nástrojů z rychlořezných ocelí a slinutých karbidů, které nemají potřebnou tvrdost. Místo nich se používají nástroje z polykrystalického diamantu (PKD) nebo kubického nitridu bóru (CBN). Oba materiály jsou určené pro obrábění s definovanou i nedefinovanou geometrií břitu. [12]

(31)

31 PKD

Diamant vzniká v zemské kůře, kde na částice uhlíku působí teploty vyšší než 1000 °C s tlaky až 4000 MPa. Pro průmyslové využití se proces upravil k provedení v laboratořích, kde je možné kontrolovat jeho parametry a vytvořit tak požadovanou jakost i tvar polykrystalu. Vzniká tak nejtvrdší přírodní minerál s velmi ostrými hranami vhodný pro použití na obráběcích nástrojích. [12]

Nástroje obsahují diamant buď ve formě povlaku nebo ve formě pájených břitových destiček. Vynikají dobrým odvodem tepla z místa řezu spolu s vysokou trvanlivostí.

Slabinu pak představují vysoká křehkost a náchylnost k degradaci, vlivem difuze uhlíku do nástroje za vysokých teplot. [12]

CBN

Kubický nitrid bóru sdílí s PKD podobnou polykrystalickou bázi, rovněž spadá do skupiny vysoce výkonných řezných materiálů. Vyrábí se syntézou hexagonálního nitridu bóru s katalyzátorem za vysokých tlaků a teplot. Vzniklý materiál je druhým nejtvrdším řezným materiálem, hned po diamantu. CBN však předčí PKD v houževnatosti a teplotní stabilitě. [12]

1.4.1. NS Tool

Firma NS TOOL dodává vedle standardních fréz také nástroje určené speciálně pro mikroobrábění. Tento typ obrábění by měl probíhat při malém zatížení nástroje, vysokých otáčkách a malé tloušťce odebírané vrstvy. Při dodržení technologických

Obrázek 15: Graf vlastností řezných materiálů. [13]

(32)

32

podmínek udává výrobce nejlepší dosažitelnou drsnost povrchu až 0,05 μm, v závislosti na obráběném materiálu. [15]

Nabídka PKD a CBN nástrojů obsahuje čelní válcové frézy, rádiusové nebo kulové frézy, určené pro dokončovací operace. PKD v nástrojích od NS Tool je přítomen ve formě povlaku. Speciální leštící nástroj bez definované geometrie břitu je řezná část nástroje přímo vyrobena z polykrystalického diamantu. [13] [14]

1.4.2. Union Tool

Společnost Union Tool sdružuje ve své nabídce diamantem povlakované a CBN nástroje. Narozdíl on sortimentu NS Tool nenabízí čelní válcové frézy, ale pouze rádiusové a kulové. PKD povlak má za úkol buď chránit břit před otupením nebo zlepšit kvalitu finálního povrchu a minimalizaci otřepů na okrajích obrobku. [31]

Výrobce při konstrukci CBN nástrojů klade důraz na ostrost břitu a otěruvzdornost břitu. Kvalitu dosažitelného povrchu lze ještě zvýšit použitím nástrojů určených pro

Obrázek 16: Vzorový díl leštěný PKD nástrojem od firmy NS Tool [15]

Obrázek 17: Foto CBN a PKD frézy [13] [14]

(33)

33

superfinišování. Těmito nástroji se dosahuje zrcadlového lesku obrobených povrchů, zejména při zpracování velmi tvrdých materiálů. [31]

1.4.3. 6C Tools

Společnost 6C Tools dodává na trh pouze nástroje z PKD. Nabídka obsahuje vrtáky, kulové, ohraňovací, toroidní, závitovací frézy a leštící PKD frézy. [32]

Kulové frézy od 6C Tools jsou zhotoveny z polykrystalického diamantu, který tvoří i zuby. Nabízí se ve třech délkových variantách, přičemž rádius nástroje se pohybuje od 0,2 do 0,5 mm. Leštící nástroj je nabízen ve dvou délkových variantách, s rádiusy 0,05 – 1,6 mm. [32]

1.5. Materiál vstřikovací formy

Konstrukce vstřikovacích forem s sebou přináší i specifické požadavky na volbu použitého materiálu. Použitelnost pro požadovanou aplikaci lze zhodnotit podle jeho vlastností – pevnost, tepelná vodivost, tvrdost a obrobitelnost. [16]

Obrázek 19: PKD fréza od 6C Tools [32]

Obrázek 18: Zlepšení geometrie břitu CBN nástrojů Union Tools [31]

(34)

34

Pevnost je charakterizována jako maximální napětí, které materiál ještě snese, aniž by došlo k jeho porušení. Při nižších hodnotách napětí, než je maximální, se materiál deformuje. Aby deformace nebyly trvalé, měla by provozní zatížení materiálu být pod hodnotou napětí na mezi kluzu. Tato hranice odděluje plastické – trvalé a elastické – dočasné deformace. [16]

Technologii vstřikování plastů charakterizuje především vysoká sériovost výroby.

Formy jsou tedy cyklicky zatěžovány, přičemž v sobě hromadí zbytkové napětí – únavové napětí. Pokud hodnota únavového napětí dosáhne kritickou mez, zpravidla se jedná o jednu třetinu napětí na mezi kluzu, forma se nenávratně poškodí. Při volbě materiálu je třeba brát zřetel na odolnost proti únavovému napětí, které se u různých slitin liší. [16]

Tepelná vodivost charakterizuje přenos tepla z jednoho místa formy do druhého. Aby výlisek rychle chladl a mohl být vyňat z formy, měl by mít materiál co nejvyšší koeficient tepelné vodivosti. U vysokopevných slitin však platí, že mají nízký koeficient tepelné vodivosti. [16]

Tvrdost formy souvisí s odolností, jelikož je vystavena zvýšeným teplotám, tlakům a tření od formovaného plastu. Pokud nedosahuje forma dostatečné tvrdosti, v průběhu jejího užívání dojde k otěru povrchu kavit, čímž se změní i geometrie tvářecí dutiny.

Taková změna má za následek výrobu tvarově nevyhovujících součástí a celkové znehodnocení formy. Zvýšená tvrdost materiálu však znamená horší obrobitelnost, tudíž vyvstává i nutnost použití odolnějších nástrojových materiálů – slinutý karbid, kubický nitrid bóru, polykrystalický diamant a jiné. [16]

1.5.1. Bohler W 720 VMR

Bohler W 720 VMR je ultrapevná martenzitická ocel typu maraging. Svou pevnost dosahuje vyloučením intermetalických fází, nikoli kalením jako vysokouhlíkaté ocele.

Intermetalické fáze na bázi niklu přinášejí významné zlepšení mechanických vlastností, jež představují vysoká pevnost v tahu, dobrá houževnatost, vysoká vrubová houževnatost, odolnost proti vzniku trhlin při cyklickém teplotním namáhání, minimální změny při teplotním zpracování, dobrá obrobitelnost a další. [22]

(35)

35

Stárnutí oceli probíhá 3 hodiny při teplotách 480 °C. Výsledkem tepelného zpracování je zvýšení jejích mechanických vlastností, především pak tvrdosti z výchozích 32 HRC na 55 HRC. [22] [23]

Tabulka 9: Chemické složení Bohler W 720 VMR [23]

Dle výrobce předurčují vlastnosti W 720 VMR k aplikacím v oblastech nízkotlakého a tlakového lití, vstřikování plastů, protlačování nebo k výrobě šroubů a matic. [22]

1.5.2. Udeholm POLMAX

POLMAX je antikorozní, kalitelná ocel. Vyniká svou leštitelností, dobrou korozní odolností, obrobitelností, odolností proti opotřebení a rozměrovou stálostí během kalení. [24]

Vytvrzování materiálu probíhá dvoufázově. První je předehřev, pracující s teplotami 600–850 °C. Následné zahřátí na austenitizační teplotu 1020-1030 °C vede ke zvýšení tvrdosti materiálu až na 57 HRC. [24] [25]

Tabulka 10: Chemické složení POLMAX [24]

Materiál nachází využití především v technologii vstřikování plastů. Formy z něj vyrobené slouží k produkci čoček, kompaktních disků, paměťových karet či lékařských přípravků. [24]

1.6. Metody měření topografie povrchu

Ověřením kvality povrchu a jeho reliéfu se zabývá průmyslová metrologie, přesněji část věnující se měření topografie povrchu. Na základě získaných dat lze ověřit kvalitu povrchu, upravit obráběcí proces s cílem dosažení ještě vyšší kvality, případně identifikovat vlivy, které vstupují do obráběcího procesu a povrch degradují.

Cmax [%] Simax [%] Mnmax [%] Mo [%] Ni [%] Co [%] Ti [%] Al [%]

0,005 0,05 0,1 5 18,5 9 0,7 0,1

C[%] Si[%] Mn[%] Cr [%] V [%]

0,38 0,9 0,5 13,6 0,3

(36)

36

Obecně lze metody měření topografie rozdělit na kontaktní a bezkontaktní. Dále jsou uvedeny ty metody, jež jsou nejčastěji používány. Mnoho z těchto metod doznaly modifikací a tyto modifikace již ve výčtu nejsou.

1.6.1. Kontaktní skenování profilu

Kontaktní skenování funguje na principu tažení hrotu, upevněného na rameni, a snímání jeho pohybu. Hrot je zakulacen a bývá zhotoven z tvrdého materiálu – diamantu/safíru, jeho tvar i parametry upravuje norma ČSN EN ISO 25178-601. [26] [27]

Při tažení hrot kopíruje profil povrchu, po němž se pohybuje. Přesnost měřeného profilu silně záleží na velikosti hrotu. Prohlubně s průměrem menším, než je průměr hrotu, nejsou přesně změřeny, jelikož hrot do těchto prohlubní nepronikne. Tento jev snižuje citlivost měření, stejně jako rotační pohyb okolo středu upnutí ramene. [26] [27]

Při měření se hrot pohybuje nejen v ose X, ale i ve směru nerovností, tedy v ose Z, a rameno se točí kolem středu upnutí. Rotační pohyb ramene způsobuje kruhový pohyb

Obrázek 20: Schéma pohybu drsnoměru po měřeném profilu [27]

Obrázek 21: Schéma vzniku výchylky dx při rotačním pohybu snímacího ramene [27]

(37)

37

hrotu a minimální pohyb v ose X. V závislosti na požadované přesnosti měření lze tuto nepřesnost buď zanedbat nebo aplikovat korekce v návaznosti na znalosti jedné z veličin X nebo Z a geometrie hrotu. Nepřesnosti měření také mohou způsobovat strmé výchylky výšky nerovností, kdy hrot není schopen přesně kopírovat stěnu a dno prohlubní. [26]

[27]

Tato metoda vytváří profil povrchu pouze na jedné přímce. Vytvořit model povrchu vzorku lze sestavením jednotlivých naměřených profilů dohromady pomocí specializovaného softwaru. Tvorba 3D modelu je však velmi časově náročná. [26] [27]

1.6.2. Koherenční skenovací interferometrie

Přes interferometrický objektiv je promítáno nekoherentní polychromatické světlo, které se odráží od povrchu vzorku a je zaznamenáváno snímačem. Zaznamenaná data jsou dále softwarem převáděna do podoby 3D modelu pozorovaného povrchu. [26] [27]

Při dopadu světla na povrch dochází k interferenci různých vlnových délek, což má za následek různou intenzitu světla v závislosti na výšce nerovnosti povrchu. Lze si to také představit jako tmavé a světlé pruhy na povrchu vzorku, spojující místa s obdobnou výškou profilu, obdobně jako vrstevnice. Těmto intenzitám je přiřazena výšková souřadnice, díky níž vzniká model topografie povrchu v ose Z. [26] [27]

Obrázek 22: Schéma uspořádání komponent interferometru [27]

(38)

38

Při dopadu světla na povrch dochází k interferenci různých vlnových délek, což má za následek různou intenzitu světla v závislosti na výšce nerovnosti povrchu. Lze si to také představit jako tmavé a světlé pruhy na povrchu vzorku, spojující místa s obdobnou výškou profilu, obdobně jako vrstevnice. Těmto intenzitám je přiřazena výšková souřadnice, díky níž vzniká model topografie povrchu v ose Z. [26] [27]

Tato metoda je vhodná pro měření a vyhodnocení profilu a drsnosti celého povrchu nebo pouze ve zvolené přímce. Dosažitelné rozlišení závisí na provedení přístroje, vlnové délce použitého světla a rozlišení snímače. Nejlepší interferometry pracují s rozlišením v řádech nanometrů. Omezení použitelnosti představují ostré přechody a úhly mezi plochami. Vzorek by také měl být lesklý, aby dobře odrážel světlo. [26] [27]

1.6.3. Konfokální mikroskopie

Přístroje pro tuto metodu lze na základě konstrukce rozdělit na konfokální mikroskop s rotujícím diskem a rastrující konfokální mikroskop. [26] [27]

Obrázek 23: Vznik topografie povrchu při interferenci dopadajících světelných vln [27]

Obrázek 24: schéma vnitřního uspořádání komponent konfokálního mikroskopu [27]

(39)

39

Laserový rastrující konfokální mikroskop pracuje tak, že ze světelného zdroje putuje paprsek světla do děliče, jenž ho rozdělí a dále postupuje skrze kolektor do objektivu.

Objektiv paprsek zaostřuje a soustředí na povrch vzorku, od kterého se odráží zpět do objektivu až do rozlišovacího otvoru fotodetektoru. Fotodetektor dále posílá data o rozdílné intenzitě odraženého světla do softwaru, kde se z těchto údajů vytváří trojrozměrný obraz povrchu. [26] [27]

Konfokální mikroskopie tedy pracuje s hloubkami ostrosti v jednotlivých hladinách kolmo ke snímanému povrchu. Aparatura snímá vždy jen body v jedné hladině ostrosti, celkový obraz je tedy postupně sestavován z pořízených snímků. [26] [27]

1.6.4. Měření elektronovým mikroskopem

Elektronové mikroskopy používají k zobrazování vzorku místo fotonů elektrony.

Proud elektronů prochází soustavou elektromagnetických čoček, kde dochází k jeho fokusaci. Svazek elektronů dopadá na plochu vzorku, s nímž interaguje a vzniká signál, jenž zachycuje snímač. Snímač převádí zachycený signál na data, která dále zpracovává software do podoby trojrozměrného modelu povrchu. [27]

Mikroskopy využívající fotony nedosahují takového zvětšení jako elektronový mikroskop. Zobrazovací schopnost elektronového mikroskopu se pohybuje v řádech nanometrů, případně v desetinách nanometru. Pozorování však musí probíhat ve vakuové komoře, aby se zamezilo vzniku rušivého signálu vlivem interakce elektronového svazku a okolní atmosféry. [27]

Obrázek 25: Ukázka zobrazení topografie povrchu za pomocí konfokálního mikroskopu [27]

(40)

40

Elektronové mikroskopy lze rozdělit na řádkovací elektronové mikroskopy a transmisní elektronové mikroskopy. Pro pozorování topografie povrchu se hodí řádkovací elektronový mikroskop. Ten zachycuje sekundární elektrony vznikající při interakci fokusovaného proudu elektronu s povrchem vzorku. Vedle topografie tento přístroj umožnuje zjišťování chemického složení povrchové vrstvy vzorku. [27]

Nevýhody elektronové mikroskopie představuje náročná příprava vzorku, vysoká pořizovací cena přístroje a přísná metodika měření. [27]

Obrázek 26: Schéma vnitřního uspořádání komponent skenovacího elektronového

mikroskopu [33]

Obrázek 27: Příklad zobrazení kovového prášku pro 3D tisk elektronovým mikroskopem

(41)

41 1.6.5. Další metody hodnocení povrchu

Pro popis jakosti finálního povrchu součásti bývá nejčastěji používán parametr aritmetické hodnot drsnosti povrchu – Ra. Společnost průmyslu plastů zavedla standard kvality povrchové vrstvy vstřikovacích forem. Nejvyšší dosažitelný stupeň se značí A-1, přičemž nabývá hodnoty Ra 0,012 – 0,025 μm. Běžně se těchto hodnot dosahuje použitím leštění či lapování, ovšem obě technologie nevyhovují požadavkům na dodržení předepsaných geometrických tolerancí při výrobě obecných tvarových ploch.

[1] [2]

Jakost povrchu může být hodnocena pomocí vizuálního zkoušení. Pozorováním za příznivých světelných podmínek se hodnotí výsledek pro obrábění. Vedle celistvosti plochy se hodnotí i dílčí vady, jakými jsou otřepy, zvlnění, změna barvy rozdíl v textuře.

Zrcadlový efekt může být zkoumán i za pomocí testování reflexních vlastností povrchu.

Zkušební těleso, v podobě vytištěného textu, je přiloženo k obrobené ploše a pozorováním se vyhodnocuje odražený obraz. Odraz lze hodnotit z pohledu ostrosti, zrnitosti, zvlnění, počet ještě čitelných písmen nebo vzdálenosti, na kterou lze text přečíst. Metodiku vizuálního zkoušení neupravuje žádný předpis, stejně tak způsob provedení i vyhodnocované parametry. Výsledek ovlivňuje osvětlení na testovacím pracovišti a zrak kontrolora.

Obrázek 28: Zrcadlení textu na povrchu součásti [37]

(42)

42

2. PRAKTICKÁ ČÁST

V případě realizace úlohy a zjišťování optimálních řezných podmínek je nutná pečlivá příprava obrábění. V první řadě se jedná o volbu vhodného materiálu k obrábění. Dále následuje volba strojního a nástrojového vybavení. Poslední krok se skládá z testování řezných podmínek pro použité vybavení, vyhodnocení testů a určení nejvhodnějších technologických podmínek. Pouze tímto postupem lze zajistit dosažení nejlepšího možného výsledku praktické části této práce.

2.1. Materiál

Od požadovaných vlastností formy se odvíjí i volba materiálu. Jako nejlepší možná varianta se jeví ocel Hitachi Metals HI-YAG300. Jde o nízkoteplotně (480 °C) vytvrditelnou ocel typu maraging. HI-YAG300 byla vyvinuta přímo pro výrobu forem se zrcadlovým povrchem po leštění. Tento materiál, vlivem rozhodnutí společnosti Hitachi, není distribuován na Evropský trh. Náhradní volbou se tedy stal maraging 300 s obchodním označením Bohler W 720 VMR. Jedná se o dobře dostupnou, korozivzdornou ocel, vytvrditelnou na 55 HRC s dobrými předpoklady pro dosažení zrcadlových povrchů. Druhým testovaným materiálem byl Udeholm POLMAX, antikorozní, kalitelná ocel s dobrou obrobitelností, leštitelností a tvrdostí až 57 HRC.

Oba materiály podstoupily testování ve vytvrzeném stavu. Předpokladem je, že obrábění v nevytvrzeném stavu by způsobovalo zanesení PKD nástroje. Naopak vytvrzený stav má lepší předpoklady pro dosažení zrcadlového povrchu.

2.2. Nástroje

Rešeršní část představila materiály CBN a PKD pro dokončovací obrábění ocelí s vysokou tvrdostí. Pro hrubování se běžně používají povlakované nástroje ze slinutého karbidu schopné obrábět materiály do tvrdosti 68 HRC. Tyto nástroje nebyly v rešeršní části zmíněny, jelikož hrubování bude mít jen minimální vliv na proces leštění.

Vedle výše uvedených výrobců působí na trhu další řada firem dodávajících PKD nebo CBD nástroje. V případě použití PKD nástrojů se mnohdy nejedná o frézy, ale o mnohabřité nástroje, jež při obrábění povrch spíše brousí.

(43)

43

Nástroje, které byly následně použity jsou od firmy NS Tool. NS Tool nabízí nejširší sortiment kulových CBN fréz, s průměrem vyšším než 2 mm. Dále také nabízí řadu nástrojů určených přímo pro přesné obrábění a kulové PKD frézy, použitelné při dalším testování doleštění povrchu. K jejich upnutí do stroje sloužily tepelné upínače.

Tabulka 11: Přehled použitých nástrojů [34] [35]

Řada

Průměr nástroje D [mm]

Rádius R [mm]

Stoupání šroubovice [°]

Počet zubů

Upínací průměr d [mm]

Efektivní délka l1 [mm]

Typ frézy

Materiál

SSPB220 4 2 20 2 6 8 kulová CBN

PCDRB 2 1 - - 4 5 kulová PKD

Tabulka číslo 12 zachycuje výrobcem doporučené řezné podmínky pro zvolené nástroje při obrábění ocelí s tvrdostí 68 HRC. V tabulce lze najít rychlostní číslo – R, což je podíl minutového posuvu a řezné rychlosti. R je zavedeno z důvodu absence zubů u PKD frézy, také pomáhá při výpočtu ideálního posuvu při zvolené řezné rychlosti.

Tabulka 12: Doporučené řezné podmínky použitých nástrojů [34] [35]

2.3. Technologické podmínky

Testování probíhalo v halových laboratořích Fakulty strojní ČVUT. K testům obrábění byla použita Okuma MU-400VII. Jedná se o nejpřesnější stroj v inventáři pracoviště. Tato

Doporučené podmínky pro nástroje NS Tool

Průměr nástroje D [mm]

Otáčky n [ot/min]

Posuv f [mm/min]

Axiální hloubka řezu

ap [mm] Rychlostní číslo R = f/vc Počet

zubů Z [-]

Řezná rychlost vc [m/min]

Posuv na zub

fz [mm/zub]

Radiální hloubka řezu ae [mm]

SSPB220

4 15 000 1300 0,05

8,61

2 151 0,054 0,07

PCDRB 2 40 000 300 0,003 1,19

- 251 - 0,003

(44)

44

5-tiosá frézka s osazeným vřetenem, schopným vyvinout maximálně 15 000 ot./min., představovala omezení v technologických podmínkách. V rešeršní části bylo zmíněno, že pro obrábění přesných, zrcadlových ploch se používají specializované stroje s tepelnou stabilizací stroje a vysokou tuhostí rámu. Vyšší tuhost rámu a tepelná stabilizace ovlivňují přesnost polohování a opakovatelnost, běžně se pohybující v rozsahu 1-2 µm. Vysoce přesná obráběcí centra mají taktéž instalována vysokootáčková vřetena, schopná vyvinout 40 000 – 80 000 ot. /min. Použití frézky Okuma mohlo představovat potenciální zdroj rozměrových nepřesností a nedostatečné kvality povrchu.

S ohledem na omezené otáčky stroje probíhala i volba nástroje. Nástroj musel být dostatečně velký, aby se testovací řezné podmínky, především řezná rychlost, blížily co nejvíce k řezným podmínkám doporučených výrobcem. Zároveň měl být nástroj natolik kompaktní, aby se dal použít pro výrobu forem. Zvoleným nástrojem se stala kulová CBN fréza s poloměrem D = 4 mm a PKD fréza s poloměrem D = 2 mm.

Zjišťování řezných podmínek probíhalo obráběním plochy o rozměrech 25 x 25 mm, naklopené o 45°. Plocha byla vždy rozdělena na 5 sekcí. Aby se zamezilo obrábění středem nástroje, který má nulovou řeznou rychlost, probíhal pohyb nástroje od spodní hrany po vršek obrobku v záporném směru osy X. Nastavení a návrh drah nástroje probíhalo v CAD/CAM softwaru HyperMill.

Obrázek 29: Umístění souřadnicového systému vůči obrobku

(45)

45

Jako vodítko k nalezení optimální řezných podmínek pro polodokončení CBN nástrojem byla použita výzkumná zpráva č. 4 z projektu – Nové technologie vysoce přesného CNC obrábění a dokončování pro optomechanické sestavy. Z výsledků vyplývá, že nejlepší kvality povrchu pro CBN nástroj lze dosáhnout při nastavení řezných parametrů uvedených v následující tabulce. Tyto parametry byly použity i při mém testování. [36]

Tabulka 13: Optimální řezné podmínky pro CBN nástroj [36]

Dle doporučení výrobce by měl být CBN nástroj během obráběcího procesu omýván olejovou mlhou. Produkce mlhy by však způsobila značné znečištění pracoviště, stroje a kontaminaci procesních kapalin uvnitř stroje Okuma. Na doporučení vedoucího tak byla namísto olejové mlhy použita syntetická procesní kapalina mísitelná s vodou – Blaser Synergy 735.

Pro lubrikaci místa řezu PKD nástroje výrobce předepisuje ve vodě nerozpustnou řeznou kapalinu. Použitý řezný olej tedy splňoval podmínky dané výrobcem. Řezný olej, potažmo celý chladicí okruh, bylo nutné separovat tak, aby nedošlo ke kontaminaci značného množství procesní kapaliny ve stroji. Zachytávání oleje zajistila

CBN fréza ^Otáčky n [ot/min]

Axiální hloubka řezu

ap [mm]

Radiální hloubka řezu

ae [mm]

Hrubování 15 000 250 0,02 0,02

Dokončení 15 000 250 0,005 0,005

Obrázek 30: Znázornění směru pohybu PKD nástroje při obrábění

(46)

46

polypropylenová přepravka přichycená čtyřmi šrouby k pracovnímu stolu a pečlivě utěsněná. Pro čerpání oleje bylo k dispozici olejové čerpadlo, vakuový injektor, akvarijní čerpadlo nebo samostatné olejové čerpadlo se zásobní nádrží, přímo určené pro obráběcí stroje. Do finálního výběru postoupila poslední varianta, tedy olejové čerpadlo se zásobní nádrží, jež zaručovalo stabilní přísun a snadné jímání kapaliny.

2.4. Test – POLMAX

První krok představovalo vytvoření modelu obrobku. Pro obrábění CBN frézou byl zvolen přesah 1 mm po bocích obráběné plochy, ve směru osy Y. Rozšíření obráběné plochy zamezí tvorbě otřepů, které by při následném obrábění mohly zničit PKD nástroj.

Přesah pro plochu obráběnou nástrojem z PKD byl zvolen 12,5 mm, taktéž z obou stran vzorku, ve směru osy Y. Důvodem pro tento krok byla snaha ustálit pohyb stroje. Při rychlé změně směru a polohování os, vychylují setrvačné síly stroj z rovnovážné polohy, což se může projevit vibracemi nástroje, což se může promítnout negativně do kvality obráběného povrchu. Přidání offsetů ploch sice prodlouží čas obrábění, ovšem přináší zlepšení podmínek obrábění a potenciálně zvyšují dosažitelnou jakost povrchu.

Obrázek 31: Uspořádání separátního chladícího okruhu

Obrázek 32: Rozdělení obráběné plochy s offsety pro jednotlivé nástroje

(47)

47 2.4.1. Kompenzace teplotních deformací

Vlivem okolního prostředí a obrábění vzniká ve stroji teplo, které zapříčiňuje změnu rozměrů stroje, obrobku i nástroje. Délkové změny mají za následek úběr odlišné hloubky řezu, než stroji předepisuje program, což vede k nedodržení rozměrové přesnosti obrobku případně k destrukci nástroje. Vliv teplotních deformací byl patrný již při obrábění první plochy PKD nástrojem. Vlivem změny rozměrů se nástroj nedostal do kontaktu s obrobkem a první plocha vzorku tak zůstala nedokončená.

Vliv teplotních deformací jsem zpětně eliminoval začleněním zahřívacího cyklu, průběžného přeměření nulové polohy osy Z a stanovením délkové kompenzace nástroje.

Zahřívací cyklus stroje spočíval v upnutí příslušného nástroje před počáteční operací a roztočení vřetene. Prvních 10 minut se vřeteno točilo 4 000 ot/min a následně 9 000 ot/min po následujících 10 minut. Použití cyklu doporučuje výrobce stroje začlenit, pokud je nutné využít vyšší otáčky vřetene. Předchází se tím nerovnoměrnému zahřátí ložisek vřetene a jejich potenciálnímu zadření. Teplota uvnitř vřetene se po konci cyklu navíc přiblížila hodnotě při následujícím obrábění a teplotní deformace nebyly tak veliké.

Řídící systém stroje navíc kontroluje teplotu komponent stroje pomocí teplotních čidel. Z těchto údajů vyhodnocuje rozměrové změny konstrukce, které následně kompenzuje posunutím souřadného systému obrobku.

Pro tvorbu programu zbylých kompenzační řešení bylo uplatněno rozdělení obráběné plochy na pět segmentů. Pomocí programu obrobková sonda nejprve

Obrázek 33: Znázornění problematiky vzájemné polohy nástroje a tepelně deformovaného dílu

(48)

48

automaticky nastavila nulovou výšku osy Z na vrchní stranu obrobku. Dále automatický cyklus měření stanovil a zapsal délkovou kompenzaci nástroje. Následovalo polodokončovací obrábění CBN nástrojem a opětovné nastavení nulové pozice osy Z a stanovení délkové kompenzace nástroje. Plocha byla dále doobrobena dokončovacím průchodem nástroje. Celý postup se opakoval i pro následující segmenty. Všechny tyto kroky měly za cíl ustálit vzdálenost mezi obrobkem a nástrojem i v případě jejich teplotních deformací mezi jednotlivými operacemi. Stejný sled kroků byl použit i v případě obrábění frézou z PKD.

2.4.2. Řezné podmínky

Řezné podmínky pro obrábění CBN nástrojem zachycuje tabulka 14. Oproti řezným podmínkám udávaným ve zprávě – Nové technologie vysoce přesného CNC obrábění a dokončování pro optomechanické sestavy, došlo ke změně posuvu při hrubování.

Hodnota hrubovacího posuvu se zvýšila z důvodu snížení času obrábění. Při prvním vygenerování drah nástroje byla programem udávaná délka obráběcího procesu více než 54 hodin. Postupná optimalizace vedla ke snížení obráběcího času až na necelých 21 hodin.

Tabulka 14: Použité řezné podmínky pro CBN nástroj

Do programu pro PKD nástroj byly taktéž začleněny měřící cykly i segmentace plochy.

Konstantní vzdálenost mezi obrobkem a nástrojem je u PKD nástroje stěžejní. Odebíraná byla velmi tenká vrstva materiálu. Teplotní roztažnost stroje, nástroje a obrobku mohla způsobit velké deformace. V jejich důsledku by se nástroj nedostal do kontaktu s obrobkem nebo by odebíral příliš silnou vrstvu materiálu, což by vedlo k jeho destrukci a znehodnocení obráběného tělesa. Na rozdíl od programu CBN nástroje, byly v tomto

CBN fréza ^Otáčky n [ot/min]

Axiální hloubka řezu

ap [mm]

Radiální hloubka řezu

ae [mm]

Hrubování 15 000 500 0,02 0,02

Dokončení 15 000 250 0,005 0,005

(49)

49

případě nastaveny pro obrábění jednotlivých segmentů jiné řezné podmínky uvedené v následující tabulce.

Tabulka 15: Nastavené řezné parametry pro obrábění PKD nástrojem

Během finálního obrábění zůstávala na povrchu po projetí PKD nástroje černá substance. S největší pravděpodobností se jednalo o směs řezného oleje a odebraného materiálu. Ulpívání na povrchu měl za následek nízký tlak přiváděného olej, který neodplavil veškerý odebraný materiál. Povlak by však na kvalitu obrobeného povrchu neměl mít vliv.

PKD fréza

Otáčky n [ot/min]

Posuv f [mm/min]

Axiální hloubka

řezu

ap [mm] Rychlostní číslo R = f/vc Řezná

rychlost vc [m/min]

Posuv na zub

fz [mm/zub]

Radiální hloubka

řezu ae [mm]

Výrobcem doporučené podmínky

40 000 300 0,003

1,19

251,3 - 0,003

Plocha 1 15000 300 0,003

3,18

94,25 - 0,003

Plocha 2 15000 300 0,003

3,18

94,25 - 0,005

Plocha 3 15000 300 0,005

3,18

94,25 - 0,003

Plocha 4 15000 300 0,005

3,18

94,25 - 0,005

Plocha 5 15000 500 0,005

94,25 - 0,005 5,3

(50)

50

2.5. Test – Bohler W 720 VMR

Postup přípravy obrábění, jakožto segmentace frézované plochy, tvorba drah i začlenění měřících cyklů, to vše se shodovalo s předchozím testem materiálu POLMAX.

Před testováním W 720 VMR došlo k demontáži záchytné přepravky spolu s externím chlazením a upnutí vzorků z maraging ocele do svěráku. Obráběné polotovary byly vždy upínány po dvou, aby se zajistilo rovnoměrné rozložení upínacích sil na vzorek.

Následovalo ohrubování vzorku válcovou frézou.

Během obrábění prvního vzorku doznal CBN nástroj poškození břitu v místě styku s obrobkem. Byť nedošlo k poškození celé délky ostří, nástroj musel být vyměněn.

Při prvním pokusu o obrábění CBN frézou došlo, vlivem teplotních deformací nebo chybného nastavení, k posunutí souřadného systému. Posunutí způsobilo, že při řezném

Obrázek 35: Upnutí vzorku a utěsnění záchytné přepravky

Obrázek 34: (Vlevo) vzorek po obrobení CBN nástrojem, (vpravo) vzorek po obrobení PKD nástrojem

(51)

51

pohybu nebyl CBN nástroj v kontaktu s obrobkem. Přes veškeré pokusy o nápravu a správné nastavení souřadného systému se nepodařilo dostat nástroj do kontaktu s obrobkem. Pro uskutečnění testu byl tedy použit druhý polotovar, který se po hrubování již podařilo obrobit i CBN nástrojem. Použité řezné podmínky se shodovaly s podmínkami zvolenými pro obrábění POLMAXU.

Obrábění PKD nástrojem si znovu vyžadovalo přípravu chladicího systému. Opětovné instalaci záchytné přepravky a chladícího okruhu předcházelo důkladné vyčištění a odmaštění přepravky, pracovního stolu, upevňovacích šroubů a svěráku. Očištění a odmaštění povrchu mělo zaručit dobré přilnutí tmelu i těsnost celé soustavy. Dostatečné zatuhnutí tmelu zajistila hodinová technologická přestávka.

Pře použitím byl PKD nástroj taktéž zkontrolován, ovšem k jeho opotřebení nedošlo.

Řezné podmínky nástroje se opět shodovaly s těmi z předchozího testu.

2.5.1. Měření kvality povrchu

Kvalita obrobeného povrchu byla hodnocena podle jeho drsnosti. Měření probíhalo na konturografu Mahr MarSurf LD 120 s předem očištěnými a odmaštěnými vzorky.

V ovládacím softwaru bylo zapnuté zaznamenávání parametrů Ra, Rz, R max, Rv a R Sm.

Pro vyhodnocení jakosti povrchu však sloužila jen průměrná aritmetická hodnota drsnosti – Ra a hloubka drsnosti – Rz. Měření probíhalo dle normy ISO 4288:1998 a jeho parametry zachycuje tabulka níže.

Obrázek 36: Vnitřní uspořádání v záchytné přepravce