Vrtání
Vrtání jako základní metoda ke zhotovení válcových děr v obrobku se vyznačuje rotačním pohybem nástroje, kombinovaným s přímočarým pohybem podél jeho osy. V zásadě je možná kombinace rotujícího nástroje a stojícího obrobku či stojícího nástroje a rotujícího obrobku. Přesto, že se jedná o tradiční a osvědčenou metodu, je nutno se vyrovnat s několika aspekty, které jsou této technologii vlastní.
Obr. 1: Monolitní karbidové vrtáky SECO FEEDMAX SD230A
OBECNÉ ZÁSADY
První je řezná rychlost, měnící se od nuly v ose vrtání do jmenovité hodnoty na vnějším průměru vrtáku; proto je nutno počítat s vytvářením nárůstku a změnou jeho polohy – se snížením řezné rychlosti se přesunuje k vnějšímu průměru nástroje. Rovněž úhel čela se podél břitu mění a zmenšuje se od vnějšího obvodu k ose vrtáku. Výsledkem obou těchto faktorů jsou velmi nevýhodné řezné podmínky v okolí osy nástroje, kde materiál není odřezáván, ale spíše vytlačován, podléhá plastické deformaci a důsledkem je výrazné zvýšení axiální složky řezné síly. Řešením je zmenšení příčného ostří vhodnou geometrií ostření nebo jsou u středu nástroje užity břitové destičky z jiného řezného materiálu a s jinou geometrií než na obvodu.
Další skutečností, které je třeba věnovat pozornost, je nutnost spolehlivého odvodu třísek z hloubky vrtaného otvoru, čemuž přispívá kontrolovaná tvorba třísky, účelně volená řezná geometrie, povlakované nebo leštěné drážky vrtáku a především použití řezné kapaliny, pokud možno přivedené přímo k břitu nástroje. Obecně platí, že čím menší průměr vrtaného otvoru, tím vyšší tlak kapaliny je nutno použít a čím větší průměr, tím vyšší musí být dodávané množství. Konkrétní hodnoty je nejlépe vzít z doporučení výrobce nástroje. V neposlední řadě je třeba vzít v úvahu, že vrták je štíhlý nástroj, namáhaný na vzpěr značnou axiální silou. Poměr hloubky otvoru k jeho průměru určuje štíhlost nástroje, potřebného k jeho zhotovení. Příliš velká způsobuje nestabilitu nástroje a bez vhodných opatření, jako jsou např. vhodná vrtací pouzdra, vedoucí nástroj v počátcích operace nebo dodatečné vodicí fazetky, lze jen těžko pracovat s podmínkami, které daný řezný materiál dovoluje či dosahovat potřebné geometrické přesnosti obrobeného otvoru. Pro nejvyšší produktivitu a kvalitu vrtaného otvoru se proto doporučuje užít nástroj s minimální možnou štíhlostí a s vysokou tuhostí a stabilitou. Otvory se štíhlostí nad 6 - 7 většinou nelze spolehlivě zhotovit standardním postupem a nástrojem; obecně je takto charakterizován již hluboký otvor, kde je nutno užít předvrtání nebo pečlivě vybrat vhodný vrták.
Nevhodné nastavení nástroje a jeho házivost mají vliv na krátkou trvanlivost břitu a špatnou jakost obrobeného otvoru. Monolitní vrtáky vyžadují maximální radiální házivost cca 0,02 mm, nástroje s vyměnitelnými destičkami bývají kratší, stabilnější a proto vystačí s hodnotami okolo 0,03 mm. K dokonalému vystředění rotujícího nástroje musíme užít vodicí pouzdro, vyvrtat vodicí díru nebo užít samostředicí vrták. U případů, kdy se užívá stojící vrták a rotující obrobek, vede úhlová odchylka osy vrtáku a osy rotace obrobku k vytvoření nálevkovitého tvaru otvoru; pokud je osa vrtáku vůči ose rotace obrobku přesazena, je výsledná díra větší nebo menší o dvojnásobek hodnoty přesazení. Opracování otvorů menších než je jmenovitý průměr vrtáku se nedoporučuje, protože hrozí drhnutí těla vrtáku o stěnu otvoru. Radiálního přesazení lze využít k cílené modifikaci obrobeného průměru (v hodnotách několika desetin mm) nebo k dosažení užší tolerance zhotoveného otvoru – daní za tuto možnost je však vyšší opotřebení břitových destiček.
Tvar vstupní a výstupní plochy otvoru a její poloha vůči ose vrtáku způsobují nerovnoměrné zatížení břitů a vznik radiální síly, která odtlačuje špičku vrtáku z osy. Proto je nutno při najíždění vrtáku do otvoru a vyjíždění z něj na protilehlé straně redukovat velikost posuvu na otáčku. Při zavrtávání do nerovného povrchu se snižuje posuv na 1/4 nominální hodnoty, při zavrtávání do konvexního povrchu na 1/2 a konkávního na 1/3 nominální hodnoty.U šikmého nebo povrchu skloněného méně než 5° stačí snížit posuv na třetinu; je-li sklon povrchu vyšší (do 10°), je třeba snížit posuv a zhotovit středicí otvor nebo zafrézovat rovinnou plošku v místě vstupu vrtáku. Je-li skloněna výstupní plocha průběžného otvoru, snižuje se na výstupu posuv obdobným způsobem; u plochy skloněné o více než 10° není možné otvor vrtákem zhotovit. Vrtají-li se otvory, které se kříží s otvory již zhotovenými, doporučuje se v místě křížení rovněž snížení hodnoty posuvu na 1/4 nominální hodnoty. Obecně platí, že pro zmíněné případy vrtání – s výjimkou křížících se otvorů – je nutno použít vrtáky se stabilním upnutím a nejnižší možnou štíhlostí; jako mezní hodnota se doporučuje 3 x D. Bezpečnostní doporučení – zhotovuje- li se průběžný otvor stojícím vrtákem v rotujícím obrobku, vzniká v závěrečné fázi kotouček materiálu, který může být z otvoru odmrštěn velkou rychlostí; proto je nezbytné vhodné krytování pracovního prostoru.
MONOLITNÍ KARBIDOVÉ NÁSTROJE
se vyznačují proti HSS vrtákům výrazně vyšší produktivitou; běžně se vyrábějí se od O 0,1 mm do O 20 mm – pro větší průměry se již používají vrtáky osazené břitovými destičkami. Oproti vrtákům s výměnnými břitovými destičkami dosahují monolitní vrtáky vyšší kvality a přesnosti zhotoveného otvoru – drsnost v rozmezí 1 – 5 µm a tolerance otvoru IT 5 – 10. Podmínkou je ovšem dokonalé odstraňování třísek, zamezení vibracím a zajištění minimální předepsané házivosti vrtáku; pro dosažení lepších hodnot drsnosti se dále doporučuje vyjíždění vrtáku z hotového otvoru rychlostí v hodnotě dvojaž trojnásobku pracovního posuvu. Moderní způsoby výroby štíhlých karbidových polotovarů, umožňujících zhotovení přesných kanálů pro přívod řezné kapaliny ve tvaru šroubovice, stály u vzniku vysoce produktivních šroubových vrtáků pro hluboké otvory (obr. 1). Řezná kapalina s tlakem až 120 bar, vedená přímo k břitu nástroje, zajistí bezpečné vyplavení třísek a zhotovení otvorů až do hloubky 30 x D a více bez nutnosti užít vyprázdňovací cyklus. Protože tyto vrtáky jsou velmi štíhlé, doporučuje se předvrtání otvoru do hloubky 1,5 – 3 x D běžným vrtákem o průměru o 0,03 – 0,05 mm větším, než je průměr zhotovovaného hlubokého otvoru. Následné zajetí do otvoru vlastním vrtákem, resp. vyjetí z něho se provádí bez otáček nebo s otáčkami sníženými na 400 – 500 ot/min. Monolitní vrtáky dodává řada výrobců v široké paletě typů – příkladem mohou být vrtáky Pramet 3xxx, Tungaloy DSX, Sumitomo MDW, Sandvik Coromant CoroDrill Delta, Iscar SolidDrill, Seco Feedmax SD230.
Přechod mezi monolitními vrtáky a vrtáky s vyměnitelnými břitovými destičkami tvoří vrtáky buď s pájenou destičkou nebo sestávající z ocelového těla a výměnné karbidové hlavice (Iscar SumoCham, Sumitomo SMD), dodávané již od průměru cca 6 mm (obr. 2).
Obr. 2: Vrták s výměnnou hlavicí Iscar SUMO CHAM
NÁSTROJE OSAZENÉ VYMĚNITELNÝMI BŘITOVÝMI DESTIČKAMI
se používají pro obrábění děr vyšších průměrů – dodávají se v rozsahu 12 – 80 mm. Proti přesně broušeným šroubovitým vrtákům jsou méně přesné a běžně nemohou zhotovovat tak hluboké otvory; vyznačují se však vyšší produktivitou. Průměr mají pokryt asymetricky uspořádanými břity, navzájem se překrývajícími a použité břitové destičky mohou být upnuty přímo do tělesa vrtáku nebo se u větších průměrů používá upínacích kazet pro jednu či dvě destičky. Odpadá nejen nutnost nákladného přeostřování, ale je možno volbou vhodných destiček středových i obvodových optimalizovat řezný materiál i geometrii vůči rozdílným podmínkám v ose nástroje i na jeho obvodu. Protože se sčítají tolerance destiček i lůžka je nevýhodou tolerance otvoru, dosažitelná v hodnotách IT 12 – 13. Vrtáky s vyměnitelnými břitovými destičkami (obr. 3), použité na moderních obráběcích strojích s vhodným řídicím systémem, dovolují aplikace nejen konvenčního vrtání, ale i vyvrtávání, zhotovování osazení, vnoření do silně skloněného povrchu, užití šroubovicové interpolace pro zhotovení otvorů větších než je průměr vrtáku apod. Dochází tak k překračování hranic mezi vrtáky a stopkovými frézami (Pramet 8xxx, Sandvik CoroDrill 881, Sumitomo WDX, Tungaloy TDX, Iscar SumoDrill, multifunkční Iscar DR-MF a další).
Obr. 3: Vrták Sandvik Coromant typ CoroDrill 881
NEJČASTĚJŠÍ PROBLÉMY A JEJICH ŘEŠENÍ
Nedostatečný krouticí moment na vřetenu či nedostatečný výkon stroje vyžadují snížení posuvu nebo řezné rychlosti nástroje; vibrace lze snížit zmenšením vyložení vrtáku, snížením řezné rychlosti, resp. volbou vhodnější geometrie. Špatná kvalita povrchu či větší průměr otvoru u dna bývají způsobeny městnáním třísek. Prvním řešením je zkrácení vyložení nástroje, zvýšení průtoku a tlaku řezné kapaliny, vyčištění filtru a vyčištění přívodních otvorů v těle nástroje. Nízký průtok kapaliny a nestabilita nástroje jsou příčinou jeho krátké životnosti. Tvorba dlouhých třísek se dá odstranit zvýšením řezné rychlosti, snížením posuvu a zvýšením průtoku řezné kapaliny. Opotřebení hřbetu řezné destičky způsobuje příliš vysoká řezná rychlost; opotřebení ve tvaru žlábku má na svědomí vysoká teplota na čele- je zapotřebí snížit řeznou rychlost a volit řezný materiál odolnější proti oxidaci. Nárůstek na břitu způsobuje příliš malá řezná rychlost.
VOLBA VHODNÉHO ŘEZNÉHO NÁSTROJE A ŘEZNÉ PODMÍNKY
Po analýze zhotovovaného otvoru (počet, průměr, délka, požadovaná přesnost a kvalita povrchu) je zapotřebí posoudit materiál obrobku, jeho stabilitu a způsob upnutí, jakož i obráběcí stroj, který je k dispozici. Na základě těchto vstupních údajů teprve lze zvolit typ vrtáku, řezný materiál a geometrii a dle údajů výrobce stanovit výchozí řezné podmínky (řeznou rychlost, otáčky, posuv na otáčku, tlak a množství řezné kapaliny). Konečně je nutno provést korekce vstupních řezných podmínek, jsouli vynuceny zvláštnostmi operace jako je tvar a poloha vstupní plochy, křížící se otvory apod.
Ing. Petr Borovan