V předchozím vydání Technického týdeníku jsme se zamýšleli nad zkratkami HSC, HFC a HPC. Stručný výklad první z nich je tedy následující: HSC (High Speed Cutting) – vysokorychlostní obrábění.
Tento velmi perspektivní způsob třískového obrábění klade vysoké nároky na CNC stroj i jeho řízení (programování). Je založen na principu, při kterém řezný nástroj pracuje ve srovnání např. s běžným frézováním v podstatně vyšších pracovních otáčkách (orientační pracovní řezná rychlost viz tab. 1 a 2), čímž je vystaven výraznějšímu působení odstředivých sil. Také v průběhu odřezávání jednotlivých třísek dochází k působení větších řezných sil (rovněž ve srovnání s běžným frézováním).
Experimentálním měřením bylo zjištěno, že např. v leteckém průmyslu při obrábění lehkých slitin je poškození aktivního řezného nástroje velmi často zapříčiněno odstředivými silami. Naproti tomu při obrábění forem ze zušlechtěného materiálu se nepoužívají provozní otáčky, které by vedly k poškození fréz působením odstředivých sil, ale převažuje náchylnost k destrukci nástroje vlivem působení řezných sil. Význam důležitosti zabránění koliznímu (náhlému) zničení řezného nástroje je patrné ze srovnání kinetických energií střely z pistole ráže 9 mm a energie poškozené a uvolněné vyměnitelné břitové destičky (VBD). Jsou téměř shodné.
Metoda vysokorychlostního obrábění podporuje nejen snahu zvýšit efektivitu technologie třískového obrábění, ale podporuje i „cestu“ suchého či tzv. kvazisuchého obrábění (Pozn.: Pro srovnání lze uvést např., že při tzv. povodňovém chlazení je průtok cirkulující procesní kapaliny 12 000 l/h, s čímž jsou spojeny nemalé finanční náklady. Některé zdroje uvádějí, že z celkových nákladů na obrábění v automobilovém průmyslu tvoří ostatní náklady cca 80 %, náklady na řeznou kapalinu 16 % a stroje jen cca 4 %.)
Z pohledu aplikace řezných nástrojů jsou v dnešní době běžně užívané povlakovaný SK (slinutý karbid) či cermet, které jsou i při HSC vhodné pro obrábění ocelí. U výroby součástí z nekovových materiálů se uplatňuje polykrystalický diamant. Polykrystalický kubický nitrid bóru je vhodné aplikovat pro obrábění litin a kalených ocelí, přičemž pro opracování litiny lze použít i keramiku.
Hlavní rozdíl mezi třískovým obráběním běžnými řeznými rychlostmi a tzv. vysokorychlostním tedy spočívá v mechanismu tvorby třísky. Oddělování částí materiálu formou třísek je složitý proces, který závisí na mnoha faktorech. Mezi nejdůležitější je možno zařadit fyzikální vlastnosti obráběného materiálu. Budeme-li sledovat oblast plastické deformace v průběhu tvorby třísky, pak bude patrné zúžení této oblasti a ke vzniku třísky dojde plastickým skluzem v jedné rovině (tzv. rovina střihu). Hlavním cílem při stanovování řezných podmínek pro metodiku HSC obrábění je tedy nalezení úhlu ? této zmiňované roviny střihu, při které je celková síla F působící na nástroj (obrobek) minimální:
Po dosazení a úpravě je patrné, že úhel střižné roviny ? závisí především na ortogonálním úhlu řezu ?o a úhlu tření ?t:
Úhel ?t je vyjádřen střední hodnotou tření mezi třískou a čelem nástroje. Je ovlivněn řeznými podmínkami, z nichž výrazný vliv může mít mazací složka procesní kapaliny (pokud není realizováno již zmiňované suché obrábění). V podstatě hned po fyzikálních vlastnostech materiálu obrobku má nejvýraznější vliv řezná rychlost vc, která ovlivňuje především množství vyvinutého tepla (rostoucí řezná rychlost vede ke zvýšení množství práce potřebné k řezání a tato práce se téměř celá transformuje na teplo). Největší část vzniklého tepla je následně odvedena třískou. Díky odvodu tepla třískou je minimalizován vliv energetického působení na vlastnosti obrobeného povrchu a především jsou minimalizována nežádoucí reziduální pnutí. Tato pnutí jsou často spojena s fázovými přeměnami a jsou vyvolána plastickou deformací povrchové vrstvy za působení teploty řezání. Nalezneme-li (vypočteme-li) řeznou rychlost, při které probíhá transformace obráběného materiálu v rovině střihu, tak za současného působení vysoké teploty (vývinu vysokého množství tepla) dojde k podstatnému změknutí třísky a součinitel tření se výrazně zmenší. Tím je eliminován vliv normálové složky řezné síly na čele nástroje a poklesne celkový řezný odpor i třecí složka řezné síly.
Mezi hlavní přednosti HSC obrábění tedy můžeme zařadit:
- zvýšení objemu odebraného materiálu při hrubovacích operacích,
- dosažení vysoké kvality obrobeného povrchu zpravidla bez vzniku nežádoucích reziduálních pnutí,
- snížení tepelného namáhání řezného nástroje i obrobku vlivem odvodu převážné většiny tepla třískou,
- snížení vzniku vibrací (vysoké otáčky vřetene jsou zpravidla mimo oblast samobuzeného kmitání),
- významným ekologickým dopadem je možnost obrábění bez chlazení (tato možnost je však uplatňována mnohdy i u klasického obrábění).
Článek vznikl za spolupráce Vysokého učení technického v Brně, FSI, ÚST, Odboru technologie obrábění, s firmou Siemens a redakcí Technického týdeníku.
Ing. Aleš Polzer, Ph.D.