Znalost velikosti a charakteru řezných sil je nezbytným předpokladem k posouzení vhodnosti technologie, navržené k výrobě náročného dílce nebo dílce zhotovovaného ve velkých počtech, k optimálnímu využití možností obráběcího stroje a k dosažení maximální ekonomické efektivnosti výrobního procesu. Pokud stroj, nástroj i obrobek jsou schopny bez problémů snášet větší řezné síly, než jaké odpovídají zvoleným podmínkám, nejsou plně využity možnosti drahého obráběcího stroje a efektivnost výrobního procesu je nižší, než by mohla být. Naopak přetěžování stroje, nástroje a dílce vede ke zhoršení kvality výroby, nestabilitě procesu, snížení životnosti drahého stroje i nástroje a v neposlední řadě i k ohrožení bezpečnosti samotného výrobního procesu.
Problematika modelování řezných sil, poznání zákonitostí ovlivňujících jejich velikost a charakter i stabilitu obrábění je proto řešena i v pracích prováděných Výzkumným centrem pro strojírenskou výrobní techniku
a technologii (RCMT) na ČVUT v Praze. Cílem je možnost predikovat velikost a charakter řezných sil s dostatečnou přesností a stanovit jejich vliv na stabilitu řezného procesu. S dosaženými výsledky byli seznámeni účastníci semináře Modelování řezných sil, konaném v prosinci minulého roku v Praze.
AKTUÁLNÍ STAV ŘEŠENÉ PROBLEMATIKY
Velikost a charakter řezných sil určuje mnoho faktorů – řezné i záběrové podmínky nástroje, geometrie břitu nástroje i jeho opotřebení, vlastnosti použitého povlaku i způsob chlazení. Zásadní vliv má obráběný materiál
a jeho tepelné zpracování. Při návrhu řezných podmínek je nutno respektovat charakter obrobku a potřebnou stabilitu procesu, podmiňující kvalitu obrobeného dílce. Dosud používané metody predikce řezných sil se vyznačují buď nutností využívat množství údajů, získaných experimentálně, nebo řadou zjednodušení, která způsobují značné odchylky vypočtených výsledků od reality, potvrzené měřením.
Z používaných, komerčně dostupných metod, lze zmínit výpočetní metody využívající konečné prvky; jsou nabízeny např. americkou firmou Third Wave Systems (AdvantEdge). Jejich výhodou je, že umožňují nejen specifikovat řezné síly, ale i tvar třísky a rozložení i velikost vznikajících teplot; nevýhodou je cena za licenci, vysoká časová náročnost výpočtu, a to, že přesnost je výrazně ovlivněna volbou okrajových podmínek. Dalšími komerčně dostupnými metodami jsou takové, které vycházejí z geometrie procesu a vlastností materiálu. Výhodou je rychlost výpočtu (jsou-li známy koeficienty zohledňující plochu a tloušťku třísky a řeznou geometrii). Nevýhodou je časová náročnost experimentů, nutných pro zjištění těchto koeficientů pro obráběný materiál. Nepředpokládají řadu okrajových podmínek, a proto jsou méně přesné; rozhodující je znalost koeficientů, daných materiálem a záběrovými podmínkami.
Metody stanovení velikosti a charakteru řezných sil, které by byly pro praxi spolehlivě použitelné, dosud komerčně nabízeny nejsou. Další výzkum v této oblasti je proto plně zdůvodněný a dosažené výsledky mají vysoký potenciál využitelnosti v praxi.
PRÁCE PROVÁDĚNÉ V CENTRU
Vzhledem k vysokému stupni komplexnosti celé problematiky je nutno hledat více možností, jak dospět k žádoucímu řešení. Probíhající práce jsou založeny na dvou přístupech. První na známém Kienzleho vztahu
Fc = kc × hm – mc × A, který vychází z měrné řezné síly, modifikované s ohledem na tloušťku třísky. Tento typ závislosti předpokládá, že při nulovém průřezu třísky (na začátku a na konci záběru) je řezná síla také nulová. Často jej využívají výrobci nástrojů, kteří k němu uvádějí hodnoty koeficientů pro své konkrétní nástroje.
V rámci výzkumu je tento vztah rozvíjen o další korekční parametry zohledňující geometrii nástroje a jeho opotřebení. V současné době se takto simulované hodnoty odlišují od experimentálně naměřených hodnot v rozsahu +/– 30 %, což představuje velmi dobrý výsledek. Tyto modely jsou využívány především pro stanovení maximální a střední hodnoty řezné síly, určující zatížení pohonu vřetena.
Druhým přístupem jsou mechanistické modely, založené na matematické identifikaci sady naměřených dat. Tyto modely pracují se dvěma komponentami řezné síly – s třecí silou, která je nezávislá na průřezu třísky,
a řeznou silou, která na průřezu třísky závisí. Oproti uvedeným modelům, vycházejícím pouze z plochy třísky, jsou mechanistické modely výrazně přesnější zejména pro popis poměrů na začátku a konci záběru. Využívají se proto k detailnějšímu popisu řezného procesu – např. při simulaci virtuálního obrábění.
Pro identifikaci výpočtového modelu z měřených dat byla vypracována metoda přepočtu síly v souřadném systému stroje (kde ji lze přesně změřit) na síly v rotujícím systému nástroje a vyhodnocovat tak skutečné řezné síly ve směru axiálním, radiálním a tangenciálním v závislosti na úhlovém natočení nástroje a postupu jeho opotřebení. Pro potřeby výzkumu bylo zvoleno frézování drážky stopkovou frézou s hloubkou řezu 5 mm
v oceli ČSN 12050.1. V rámci celkem 18 zkoumaných geometrií, lišících se navzájem úhlem čela, úhlem hřbetu a úhlem stoupání šroubovice, byl sledován rozvoj opotřebení hřbetu nástroje otěrem a jeho vliv na změnu axiální, radiální a tangenciální složky řezné síly. Naměřené hodnoty byly porovnávány s hodnotami stanovenými na základě modelu sil a bylo možno konstatovat dostatečnou shodu.
Desítky provedených experimentů dovolují formulovat následující závěry: postupující opotřebení zvyšuje především radiální složku řezné síly; výrazně se proto mění poměr mezi radiální a tangenciální složkou řezné síly (obr. 1). Požadavek na krouticí moment na vřeteni stroje se s postupujícím opotřebením nástroje zvyšuje až o cca 50 %. Výrazně se zvyšuje ohybové zatížení nástroje, a tím i obrobku, což má význam zejména při práci v dutině nebo při opracování tenkostěnných obrobků. Zvyšující se třecí komponenty obou hlavních složek řezné síly výrazně snižují energetickou účinnost procesu.
JAK ZLEPŠIT STABILITU OBRÁBĚNÍ
V návaznosti na modelování řezných sil došlo též na experimenty v oblasti stability obrábění. Potvrdily, že stabilitu obrábění významně ovlivňuje úhel čela a opotřebení břitu. Hodnoty řezného odporu, získané při statickém měření, lze využít pro matematickou predikci absolutní meze stability. Největším problémem však zůstává nejistota v určení dynamické poddajnosti celého systému stroj – nástroj – obrobek, a to jak z hlediska frekvencí, tak amplitud. V praxi se průběh poddajnosti může měnit (např. vysunutím smykadla, roztočením vřetena na vysoké otáčky apod.).
KALKULÁTORY ŘEZNÝCH SIL
Prokázaná shoda hodnot, stanovených pomocí modelu řezných sil a hodnot naměřených, dovoluje praktické využití sestaveného modelu řezných sil. Model řezné síly, získaný integrací odpovídajících průmětů jednotlivých složek řezných sil, působících na infinitesimální element nástroje podél břitu po celé hloubce záběru, je v matematické podobě příliš náročný pro běžné používání. Proto byl sestaven speciální software ve formě kalkulátoru řezných sil (obr. 2). Po zadání vstupních parametrů nástroje se definuje materiál a řezné
a záběrové podmínky; lze volit tři strategie obrábění. Software vypočte střední hodnoty a maxima sil v rotujícím systému nástroje a ve stacionárním systému stroje X-Y-Z; graficky zobrazí i průběh velikosti sil během jedné otáčky. Eventuální další výpočty stability usnadní vypočtené řezné koeficienty. Pro získání prvních zkušeností s kalkulátorem řezných sil byl účastníkům workshopu tento software předán zdarma k vyzkoušení.
Byl navržen i technologický kalkulátor, který z hodnoty řezných sil dovoluje získávat údaje o produktivitě operace, nárocích na spotřebu elektrické energie i ekonomické údaje, sloužící k rozhodování managementu uživatele.
Ing. Petr Borovan