Potřeba vylehčit konstrukce především
dopravních prostředků vede
k rozšiřování použití lehkých slitin,
respektive kompozitních materiálů
a k hledání cest k jejich produktivnímu
a hospodárnému opracování.
Celá skupina neželezných kovů jako
obráběných materiálů se z pohledu
obrábění rozštěpila na Al slitiny
s obsahem Si do 2 %, do 12 % a výše,
dále na slitiny Mg, Zn nebo mosazi
a konečně na skupinu slitin s obsahem
olova, bronzu či mědi. Zvláštní
skupinu představují duroplasty a termoplasty
včetně těch, které jsou plněny
uhlíkovými vlákny. Snaha sloučit
operace na jeden stroj a tím eliminovat
následné broušení vyvolává
potřebu zvládnout obrábění kalených
materiálů či eliminovat otřepy vzniklé
obráběním; běžný je požadavek
opracovat soustružením či frézováním
oceli kalené až na 65 HRc.
Opracování tenkostěnných dílců,
náchylných k vibracím či deformacím
během obráběcího procesu, vyžaduje
snížení řezných sil; nutnost docílit
vysokou kvalitu povrchu po opracování
a trvale vysokou přesnost dílců obrobených
jedním nástrojem předpokládá
optimální volbu řezného materiálu,
řezné geometrie a řezných parametrů.
Tvrdé a otěruvzdorné druhy šedé litiny
či spékané oceli jsou další druhy obráběných
materiálů, se kterými se musí
novodobé řezné materiály vyrovnat.
Požadavek bezpodmínečné jistoty obráběcího
procesu zahrnuje nejen dlouhou
životnost řezného nástroje a její spolehlivou
predikci, ale i nutnost tvorby
vhodného typu třísky, ať již z hlediska
odvodu tepla či městnání v pracovním
prostoru stroje nebo dutině obrobku.
Řezné materiály
Obecně platí, že výrobci řezných
nástrojů jsou schopni nabídnout nástroje
a extrémně tvrdé řezné materiály, které
si s opracováním výše uvedených
materiálů poradí. Tyto řezné materiály
v porovnání s běžným tvrdokovovem
a keramikou vykazují následující vlastnosti:
monokrystalický diamant je nejtvrdší
známý materiál, vyznačuje se velkou
tepelnou vodivostí a jeho tvrdost při
100 – 600 °C obnáší 10 000 HV; je
vhodný k přesnému obrábění neželezných
kovů a nekovových materiálů, kde
se vyžaduje vysoká kvalita povrchu. Při
opracování Al slitin s obsahem Si do 2 %
monokrystalickým diamantem lze užít
řezné rychlosti v rozsahu 300 – 4000 m/
min při posuvech 0,04 – 0,1 mm/ot; pro
práci se slitinami Cu a Zn je vhodné snížit
řeznou rychlost na 600 – 2500 m/min
při stejných posuvech. Pro opracování
plastů se doporučuje řezná rychlost 400
– 1500 m/min a posuvy 0,1 – 0,8 mm/ot.
K výhodám monokrystalického diamantu
patří i to, že řezné podmínky lze
volit v širokém rozmezí bez ztráty na
kvalitě práce či životnosti nástroje, což
u následujících řezných materiálů v plné
míře neplatí.
Polykrystalický diamant (PKD) se
užívá buď jako silná CVD vrstva nebo
jsou diamantové krystalky o rozměrech
2 – 30 ?m pevně slinuty s bází slinutého
karbidu za vysokých tlaků a teplot.
Má rovněž vysokou tepelnou vodivost
a jeho tvrdost při 100 – 600 °C obnáší
9000 HV. Jeho výhodou je jednotná
struktura, a tedy i směrově homogenní
vlastnosti. Doporučované řezné rychlosti
jsou proti monokrystalu nižší,
pohybují se mezi 200 – 3000 m/min
pro Al slitiny s nízkým obsahem Si
a 150 – 2000 m/min s vyšším obsahem
Si ve všech případech s posuvy
0,05 – 0,4 mm/ot. Pro plasty a kompozity
jsou vhodné řezné rychlosti
v rozsahu 100 – 1000 m/min při posuvech
snížených na 0,05 – 0,2 mm/ot.
Díky vysoké tvrdosti mají tyto řezné
materiály vysokou odolnost proti
opotřebení, ale proti tvrdokovu podstatně
nižší houževnatost; vzhledem
k jejich ceně je proto na místě pečlivě
zvážit všechny parametry pracovního
procesu, aby bylo dosaženo potřebné
hospodárnosti.
Řezný materiál na bázi kubického nitridu
bóru s podílem 75 – 95 % CBN má
vysokou tepelnou vodivost, jeho tvrdost
při 100 – 600 °C je 3500 – 2400 HV;
je vhodný pro práci s vysokými řeznými
rychlostmi, zejména v povlakovaném
provedení. Jde o řezný materiál, v němž
jsou jemné krystaly kubického nitridu
bóru těsně zhutněny a spékány s bází
slinutého karbidu za vysokých
teplot a tlaků. Lze jej výhodně
použít při obrábění vysokými
rychlostmi, při obrábění kalených
ocelí, spékaných materiálů
a žáruvzdorných slitin. Pokud je
podíl CBN snížen na 55-70 %,
redukuje se tepelná vodivost,
tvrdost se mírně snižuje na 3400
- 2400 HV, ale stoupá houževnatost,
a proto je tento materiál vhodný
pro přerušované řezy. Pro opracování
kalené oceli se při rychlostech 100 – 220
m/min používají posuvy 0,08 – 0,2 mm/
ot, pro žáruvzdorné oceli 200 – 500 m/
min při posuvech 0,08 – 0,15 mm/ot a při
opracování abrazivních druhů šedé litiny
pak rychlosti podstatně vyšší – 300 až
2500 mm/min při posuvech 0,1 – 0,5 mm
na otáčku. Jako polotovar k výrobě břitových
destiček se používají tvrdokové
destičky s oboustranným CBN povlakem
o tloušťce až 0,8 mm, jejichž segmenty se
letují na vlastní upravené tělo destičky.
Běžný tvrdokov má nízkou tepelnou
vodivost a tvrdost při 100 – 600 °C je
1900 – 1000 HV; řezná keramika má
nejnižší tepelnou vodivost, ale tvrdost
vyšší než tvrdokov: při 100 – 600 °C
je 2100 – 1300 HV a tomu odpovídají
i příslušně nižší hodnoty řezných rychlostí,
úběrů a trvanlivosti.
Jak je vidět, se všemi těmito řeznými
materiály lze v řadě případů dosáhnout
velmi vysokých úběrů a díky malým
posuvům, se kterými se pracuje, i vynikající
kvality povrchu. Vysoká tvrdost
těchto řezných materiálů však současně
představuje i problém při jejich výrobě.
Dosud bylo možno jim dát definitivní
tvar pouze broušením, a to znamená, že
bylo nutno se spokojit pouze s přímkovými
tvary, a to pro zhotovení optimálního
utvářeče třísky nestačí. Díky tomu,
že se pracuje s malými posuvy, v mnoha
případech vzniká jemná dlouhá tříska,
která je z hlediska jistoty obráběcího
procesu nevýhodná, protože poškozuje
povrch obráběné součásti a jsou potíže
s jejím odstraněním z pracovního prostoru.
V řadě případů
proto nebylo
možno využít
všech výhod, které
ultratvrdé řezné
materiály nabízejí.
Pro zhotovení
trojrozměrných
přesných kontur,
nutných k vytvoření
potřebného tvaru
utvářeče třísek,
se nabízelo užití
elektrojiskrového
obrábění. Avšak
vzhledem k tomu,
že rychlost procesu
je relativně malá,
že je nutné vytvořit zdlouhavě elektrodu
mikroobráběním a navíc se její tvar
v průběhu práce mění a tím negativně
ovlivňuje požadovanou přesnost při
opakované výrobě, se tato volba neprokázala
jako optimální a nedoznala znatelného
rozšíření.
Progresivní laserová
technologie
Ekonomické a produktivní řešení
nabízí SPECTRA 820 firmy Wendt,
nový stroj pro přesné mikroopracování
extrémně tvrdých materiálů laserem.
Podmínkou jeho úspěchu bylo vytvoření
potřebné dynamiky stroje a realizace
takových parametrů laseru, které nezpůsobí
degradaci diamantu v těsné blízkosti
opracovaného povrchu a zajistí jeho
vysokou kvalitu i potřebnou produktivitu
práce. Byla zvolena portálová koncepce
stroje s těžkým granitovým rámem. Jeho
stabilita a výhodné tlumicí vlastnosti
vedou k dobrému dynamickému chování
stroje i při vysokých zrychleních
jednotlivých os. Tři lineární osy stroje
se využívají jak pro opracování, tak pro
měření a manipulační úlohy. Opracovávaný
dílec je umístěn na křížovém stole,
laserový paprsek má stabilní polohu.
Osy křížového pracovního stolu, který je
z důvodů váhové a tuhostní optimalizace
zhotoven z materiálů na bázi uhlíkových
vláken, jsou poháněny lineárními motory
a disponují extrémním zrychlením
2 – 5 G. K dispozici je i 3D měřicí dotyk
s vysokou opakovanou přesností, který
slouží ke středění a vyrovnání obrobku,
aby bylo možno utvářeč třísky zhotovit
v přesné poloze vůči řezné hraně. 3D
dotyk se rovněž využívá k automatické
kalibraci pracovních parametrů při
přechodu na jiný obráběný materiál
a k cyklickému měření, kompenzaci
odstraněných vrstev materiálu v parametricky
volených odstupech.
Srdcem stroje je diodově buzený pevnolátkový
laser, který pracuje v infračerveném
spektru s vlnovou délkou 1064
nm (1064 x 10-9 m) a s extrémně krátkou
dobou pulzu v rozsahu nanosekund.
To vede k režimu práce, při němž není
ohříván materiál v okolí dopadu paprsku
a obrobek tak není tepelně ovlivňován.
V důsledku vysoké energie každého
pulzu dochází k okamžitému odpaření
materiálu v místě dopadu paprsku;
prachové částice, při tomto procesu
vznikající, jsou odsávány a zachycovány
speciálním filtrem. Přesné zaostření
paprsku dovoluje vysokou přesnost práce;
hospodárnost a produktivita práce
stroje je dána používanou frekvencí až
100 kHz a tím dosahovanými vysokými
úběry materiálu v rozsahu 0,1 – 2 mm3
/min a vytvoření utvářeče třísky trvá jen
několik málo minut. Typické tolerance
polohy obrysů, opracovaných laserem
se pohybují v řádu mikrometrů. Vedle
hlavního (pracovního) laseru disponuje
stroj i pilotním laserovým paprskem,
pracujícím ve viditelném spektru záření
a ten se využívá k přesnému polohování
obrobku.
Pro řízení stroje se využívá osvědčený
integrovaný 3D - CAD/CAM postprocesor,
který zajišťuje příjemnou obsluhu.
Z 3D modelu obrobku zákazníka, importovaného
do běžných formátů výměny
dat, se generuje kód opracování. Obsluha
zadává pouze parametrickým způsobem
technologické parametry opracování,
jako např. výkon laseru, odstupy pulzů
a tím ovlivňuje úběr a kvalitu povrchu.
Variantně může také volit předdefinované
způsoby opracování.
Typickými operacemi, prováděnými
na stroji SPECTRA 820, jsou zhotovování
komplexních 3D kontur utvářečů
třísek v břitových destičkách osazených
extrémně tvrdými řeznými materiály,
jako je CBN nebo PKD, nebo i v destičkách
z tvrdokovu či řezné keramiky.
Řeznými nástroji, dokončovanými laserovým
mikroobráběním, se na veletrhu
EMO 2009 pochlubila firma Becker
Diamantwerkzeuge, využívá je i firma
Lach-Diamant. Další uplatnění nachází
stroj SPECTRA 820 i v medicínské
technice, výrobě vložek vstřikovacích
forem s povrchem strukturovaným dle
požadavku zákazníka a v řadě dalších
aplikací. Petr Borovan