UPORABNA FIZIKA ODREZAVANJA KOVIN – DOBRE PRAKSE

UPORABNA FIZIKA ODREZAVANJA KOVIN Dobre prakse

Patrick De Vos

SECO TOOLS AB

V sodelovanju s

profesorjem Jan‐Ericom Ståhlom

SECO TOOLS AB Fagersta, Švedska, 2016

Naslov publikacije:

UPORABNA FIZIKA ODREZAVANJA KOVIN – Dobre prakse

Avtor:

Patrick De Vos

Strokovni prevod knjige:

Marko Oreškovič

Lektoriranje besedila:

Kristina M. Pučnik

Prelom in priprava za tisk:

PROFIDTP, d. o. o.

Založnik in izdajatelj:

PROFIDTP, d. o. o.

Naklada:

150 izvodov

Tisk:

Camera, d. o. o., Ljubljana

Cena:

25,00 EUR

Leto izida:

2017

CIP - Kataložni zapis o publikaciji Narodna in univerzitetna knjižnica, Ljubljana 53:546.3/.9:621.9 DE Vos, Patrick Uporabna fizika odrezavanja kovin : dobre prakse / Patrick De Vos ; v sodelovanju z Jan-Ericom Ståhlom ; [prevod Marko Oreškovič s.p.]. - Škofljica : Profidtp, 2017 ISBN 978-961-94025-1-1 289204480

Patrick De Vos patrick.de.vos@secotools.com SECO TOOLS AB Fagersta, Sweden

Predgovor Seco je v sodelovanju s prof. Ståhlom na Univerzi v Lundu izdal učbenik Metal Cutting, Theories and Models (Obdelava kovin z odrezavanjem, teorije in modeli), v katerem so podrobno opisane fizikalne osnove procesa odrezavanja kovin. Pozneje je izdal knjigo Metal Cutting, Theories in Practice (Obdelava kovin z odrezavanjem, teorije v praksi). Modeli, predstavljeni v prvi knjigi, so bili prvič osvetljeni tudi z vidika praktične uporabe v delavnici. Tretja knjiga Tool Deterioration, Practical Models (Slabšanje orodja, praktični modeli) je posvečena le enemu praktičnemu vidiku – slabšanju in obrabi orodja. Četrta knjiga Applied Metal Cutting Physics, Best Practices (Upo‐ rabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse), podaja praktične modele za nadzorovanje in ana‐ liziranje pojavov, na katere naletimo v praksi med procesom obdelave kovin z odrezavanjem.

Avtor ne zatrjuje, da bi bilo obravnavane modele in načela v povezavi s privzetimi domnevami mogoče ubraniti pred vsako kritiko, izpeljano iz druge literature s tega področja.

Pričujoča knjiga podaja celovit pregled različnih fizikalnih modelov, s katerimi opisujemo in ana‐ liziramo obdelovalni proces ter osnovne mehanizme, povezane z njim. Na kratko je opisanih tudi precej praktičnih modelov in smernic za boljše razumevanje obdelovalnega procesa. V zadnjem poglavju je izoblikovana povezava med tehnologijami strojne obdelave in ekonomiko proizvod‐ nje. Glavni namen te knjige je predstavitev praktičnih modelov za produktiven in donosen proces obdelave kovin z odrezavanjem. Večina opisanih relacij, modelov in smernic je bila preizkušena tudi eksperimentalno.

Seco že od nekdaj kot pomemben del svoje strategije tehničnega trženja izvaja tudi izobraževa‐ nje, usposabljanje in obveščanje kupcev o kar najučinkovitejši in najuspešnejši uporabi rezalnih orodij. Osnovno izhodišče pri tem pristopu je namreč naše prepričanje, da je »rezalno orodje dobro le toliko kot oseba, ki ga uporablja«. Seco je v zadnjem desetletju vložil veliko sredstev v razvoj izobraževalnih programov STEP (programi tehničnega izobraževanja Seco) za naše kupce po vsem svetu.

Programi STEP so namenjeni strokovnjakom v kovinskopredelovalni industriji, vključujejo pa izo‐ braževanja in usposabljanja za učinkovito in donosno uporabo rezalnih orodij. Uporabniki izvejo, »kaj delati« in »kako delati«, da bodo procesi obdelave kovin z odrezavanjem zanesljivi, produk‐ tivni in donosni.

Ta knjiga skupaj s pripadajočim izobraževalnim paketom STEP zagotavlja podporo pri šolanju strokovnjakov za odrezavanje kovin in predstavlja vir dopolnilnih informacij. Seco jo uporablja pri šolanju strokovnjakov po vsem svetu, da lahko bolje razumejo najrazličnejše procese obdela‐ ve kovin z odrezavanjem.

Zahvaljujem se vsem sodelavcem, ki so prispevali svoje dragoceno strokovno znanje in izkušnje, zbrane med dolgoletnim delom po vsem svetu. Knjiga brez njihovih prispevkov ne bi bila tako bogata s praktičnimi nasveti in smernicami, kako obvladati raznorazne pojave, s katerimi se sre‐ čujemo pri odrezavanju kovin. Posebna zahvala gre prof. Ståhlu z Univerze v Lundu: njegovi mo‐ deli za popis procesov odrezavanja so znanstvena osnova za tukajšnje praktične modele. Hvala tudi Agnes den Besten, Jannici Ståhl in Yvonne Duesterhus za dragoceno pomoč pri grafičnem opremljanju knjige.

Patrick De Vos

Uvod Potek vsakega obdelovalnega procesa je rezultat soodvisnosti med obliko in lastnostmi materia‐ la obdelovanca, geometrijo rezalnega orodja in lastnostmi rezalnega materiala, lastnostmi obde‐ lovalnega stroja in pomožne opreme ter pogoji pri odrezavanju. Za razumevanje procesa odre‐ zavanja kovine in interakcij med vsemi njegovimi različnimi dejavniki je nujno poznavanje okoli‐ ščin, ki se v procesu izoblikujejo med obdelovancem in rezalnim robom. Te okoliščine določa in opisuje kombinacija mehanskih, toplotnih, kemičnih in triboloških obremenitev.

Od interakcije med obremenitvami pri procesu odrezavanja in lastnostmi rezalnega orodja je odvisno tudi obrabljanje orodja, ki določa obstojnost orodja oziroma količino materiala, ki ga rezalni rob lahko odstrani z obdelovanca v danih pogojih procesa. Iz teh pogojev izhaja čas obde‐ lave, ki je potreben za dokončanje obdelovanca z zahtevano kakovostjo in od katerega so odvi‐ sni proizvodni stroški.

Vsebina te knjige je izobraževalne narave ter podaja splošne smernice za analizo in vrednotenje postopkov odrezavanja kovin, oblikovana pa je na podlagi dolgoletnih izkušenj družbe Seco na področju proizvodnje rezalnih orodij in odpravljanja težav pri obdelavi za naše kupce po vsem svetu. Pri tem ne gre za toge prakse, saj niso vsa rezalna orodja izdelana po enakih standardih kot naša, dejanski rezultati pa so lahko odvisni od stanja obdelovalnih strojev, kakovosti rezalnih orodij, pravega postopka izbire orodij ter od pogojev, v katerih delujejo rezalna orodja.

VSE PRAVICE PRIDRŽANE. Nobenega dela te publikacije ni dovoljeno reproducirati, prenesti v sistem za shranjevanje ali posredovati v kakršnikoli obliki in na kakršenkoli način – elektronsko, mehansko, s fotokopira‐ njem, snemanjem ali drugače – brez predhodnega pisnega dovoljenja izdajatelja in nosilca av‐ torskih pravic SECO TOOLS AB.

Vsebina

PREDGOVOR UVOD VSEBINA PROGRAMI TEHNIČNEGA IZOBRAŽEVANJA SECO (STEP) ..................................................... 1 1.1 Programi tehničnega izobraževanja Seco (STEP) ............................................................ 1 1.2 Kompleksnost procesov odrezavanja kovin .................................................................... 2 1.3 NEXT STEP, zveza z ekonomiko proizvodnje ................................................................... 4 1.4 V znanju je moč ............................................................................................................... 7 KINEMATIKA PROCESA ODREZAVANJA KOVINE.................................................................. 9 2.1 Uvod ................................................................................................................................ 9 2.2 Odrezavanje in različni materiali obdelovancev ............................................................. 9 2.3 Idealiziran model procesa odrezavanja kovine ............................................................. 10 2.4 Spremenljivke v procesu odrezavanja kovine ............................................................... 13 SPLOŠEN OPIS ORODJA ZA ODREZAVANJE KOVIN ............................................................ 17 3.1 Uvod .............................................................................................................................. 17 3.2 Izbira orodja ................................................................................................................... 18 3.3 Osnovne definicije geometrijskih značilnosti rezalnega orodja .................................... 19 3.4 Pozitivna in negativna rezalna orodja ........................................................................... 21 3.5 Vpliv mikrogeometrije ................................................................................................... 22 3.6 Rezalni parametri .......................................................................................................... 24 MODEL ODREZOVALNOSTI ............................................................................................... 29 4.1 Uvod .............................................................................................................................. 29 4.2 Različni pristopi k odrezovalnosti .................................................................................. 30 4.3 Lastnosti obdelovanega materiala in odrezovalnost .................................................... 32 MODELI OBLIKOVANJA ODREZKOV .................................................................................. 37 5.1 Uvod .............................................................................................................................. 37 5.2 Lastnosti obdelovanega materiala in oblikovanje odrezkov ......................................... 37 5.3 Razvrstitev osnovnih oblik odrezkov ............................................................................. 39 5.4 Elementi, ki vplivajo na tvorbo odrezkov ...................................................................... 40 5.5 Splošen opis osnovnih vrst odrezkov ............................................................................ 41 5.6 Geometrije lomilcev odrezkov ...................................................................................... 43 MODELI REZALNIH SIL ...................................................................................................... 49 6.1 Uvod .............................................................................................................................. 49 6.2 Merjenje rezalnih sil ...................................................................................................... 49 6.3 Izkustvene povezave med pogoji pri odrezavanju in rezalnimi silami .......................... 52 6.4 Empirično modeliranje sil pri rezanju............................................................................ 54 6.5 Eksponencialni model za analizo sil pri rezanju (Kienzlejev model) ............................. 55

6.6 6.7 6.8 6.9 6.10 6.11 6.12 6.13

Rezalne sile pri frezanju................................................................................................. 59 Vibracije pri odrezavanju kovin ..................................................................................... 60 Postopek izbire orodja za frezanje brez vibracij............................................................ 66 Postopek izbire orodja za notranje struženje brez vibracij ........................................... 66 Postopek izbire orodja za struženje brez vibracij .......................................................... 67 Delovanje rezalnih sil na rezalne robove in obstojnost orodja ..................................... 68 Mehanske obremenitve in kakovost obdelane površine .............................................. 69 Iskanje vzrokov vibracij na podlagi hrupa med obratovanjem ..................................... 69

TERMIČNA ANALIZA OBDELAVE Z ODREZAVANJEM.......................................................... 71 7.1 Uvod .............................................................................................................................. 71 7.2 Nastajanje toplote med procesom obdelave z odrezavanjem...................................... 71 7.3 Temperature pri odrezavanju........................................................................................ 72 7.4 Vpliv obdelovanega materiala na temperature pri odrezavanju .................................. 73 7.5 Vpliv rezalnih parametrov na temperature pri odrezavanju ........................................ 75 7.6 Vpliv rezalne geometrije na temperature pri odrezavanju ........................................... 76 7.7 Vpliv obrabe rezalnega roba na temperature pri odrezavanju ..................................... 77 7.8 Splošni premisleki o hladilnih sistemih ......................................................................... 78 SLABŠANJE IN OBSTOJNOST ORODJA ............................................................................... 83 8.1 Uvod .............................................................................................................................. 83 8.2 Analiza obrabe orodja ................................................................................................... 84 8.3 Hitrost obrabljanja in obstojnost orodja ....................................................................... 86 8.4 Nadzorovana obraba orodja.......................................................................................... 88 8.5 Vpliv izbire orodja na obrabo ........................................................................................ 91 8.6 Taylorjev model obstojnosti orodja .............................................................................. 92 8.7 Coldingov model obstojnosti orodja ............................................................................. 96 8.8 Pregled osnovnih vrst obrabe pri odrezavanju kovin .................................................. 106 8.9 Praktične smernice ...................................................................................................... 112 8.10 Praktične smernice za struženje .................................................................................. 112 KAKOVOST OBDELANIH POVRŠIN ................................................................................... 115 9.1 Uvod ............................................................................................................................ 115 9.2 Topografija površine .................................................................................................... 117 9.3 Hrapavost po odrezavanju (tribološki dejavniki)......................................................... 121 9.4 Kinematična hrapavost ................................................................................................ 122 9.5 Dodatni vplivni dejavniki površinske hrapavosti ......................................................... 124 PRIMERI DOBRE PRAKSE PRI OPTIMIZACIJI PROCESOV ODREZAVANJA ....................... 129 10.1 Uvod v odpravljanje napak .......................................................................................... 129 10.2 Predstavitev scenarijev za optimizacijo....................................................................... 129 10.3 Zanesljivost in predvidljivost procesa odrezavanja ..................................................... 133 10.4 Praktična strategija optimizacije ................................................................................. 136 10.5 Prilagoditev pogojev pri obdelavi ................................................................................ 137 10.6 Sprememba rezalne geometrije .................................................................................. 139 10.7 Sprememba rezalnega materiala ................................................................................ 140 10.8 Sprememba celotnega koncepta orodja ..................................................................... 140 10.9 Sprememba geometrije rezalnega roba ...................................................................... 141 10.10 Sprememba tehnike ali postopka obdelave ................................................................ 141

EKONOMSKI VIDIKI PROCESOV ODREZAVANJA ........................................................... 143 11.1 Prekinitve in motnje procesov odrezavanja ................................................................ 143 11.2 Klasični modeli gospodarnosti proizvodnje ................................................................. 148 11.3 Simulacije ekonomike proizvodnje.............................................................................. 150 Časi in zmogljivost pri serijski proizvodnji ............................................................ 150 Časi in zmogljivost pri tekoči proizvodnji.............................................................. 151 Osnovni izračuni proizvodnih stroškov ................................................................. 152 SKLEP.................................................................................................................................... 157 STVARNO KAZALO ................................................................................................................ 159

Programi tehničnega izobraževanja Seco (STEP) Procesi obdelave z odrezavanjem predstavljajo eno glavnih skupin postopkov, ki jih uporabljamo v proizvodnji kovinskih izdelkov. V to skupino med drugim spadajo struženje, izstruževanje, vr‐ tanje, frezanje, posnemanje in povrtavanje. Cilj vseh teh procesov je, da je proizvod izdelan kar se da učinkovito, z zahtevano ravnjo kakovosti, v želenem času in za primerno ceno. Razvoj teh‐ nologije odrezavanja kovin je usmerjen predvsem v izboljševanje učinkovitosti proizvodnje in zmogljivost različnih procesov odrezavanja kovin ter išče možnosti za zvišanje kakovosti, skraj‐ šanje obdelovalnega časa in zmanjšanje stroškov obdelave.

Vsem postopkom odrezavanja je skupna uporaba rezalnega roba, ki povzroča deformacije in od‐ stranjevanje materiala z obdelovanca v obliki odrezkov. Nastavitve proizvodne opreme, torej hitrosti, temperature itd., imenujemo procesni pogoji, pogoji pri odrezavanju pa tvorijo pod‐ množico procesnih pogojev. Odrezovalnost materiala nam pove, kako lahko se material obdelo‐ vanca obdeluje z nekim postopkom.

Slika 1:1 Osnovno načelo obdelave kovin z odrezavanjem: pri obdelavi z odrezavanjem rezalno orodje mehansko odstranjuje plasti materiala z obdelovanca v obliki odrezkov (DIN 8589)

1.1 Programi tehničnega izobraževanja Seco (STEP) Programi STEP podajajo celovit pregled nad različnimi vidiki odrezavanja kovin in povezanimi osnovnimi mehanizmi. Vključenih je tudi več teorij in modelov, ki jih je mogoče uporabiti na obravnavanih področjih. Namen izobraževanja je čim bolj zadovoljivo razumevanje procesov obdelave z odrezavanjem. Obdelovalni procesi so vsekakor kompleksni. Poznavanje in razume‐ vanje interakcij med rezalnim orodjem in materialom obdelovanca, pa tudi ostalih parametrov procesa, je zato ključno za vodenje in optimizacijo postopkov obdelave. Želja snovalcev progra‐ mov STEP je predstaviti praktično uporabno znanje ter modele na podlagi fizikalnih modelov in teorij. Modeli so usklajeni in uporabljajo enotne parametre za pojasnitev različnih fizikalnih do‐ gajanj med procesom obdelave.

STEP (programi tehničnega izobraževanja Seco, angl. Seco Technical Education Programmes) je niz izobraževalnih paketov, oblikovanih za ustvarjanje boljšega vpogleda v postopke odrezavanja kovin in različne vrste nalog, kjer se uporabljajo struženje, frezanje, vrtanje, izstruževanje in po‐ vrtavanje. STEP se osredotoča na osnovne pojave, ki jih lahko spremljamo med procesom. Glav‐ ni cilj paketov STEP je ponuditi tehnologom in upravljavcem strojev vpogled v teoretične in še posebej praktične modele za opis postopkov odrezavanja kovin in interakcij med vsemi vključe‐ nimi dejavniki. _____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 1

Programi STEP so oblikovani za učenje o različnih elementih, ki so pomembni za postopke odre‐ zavanja kovin. Med drugim pojasnjujejo vpliv rezalnih parametrov na rezultate obdelave, kako‐ vost dokončanega izdelka in interakcije med vsemi elementi.

Ta spoznanja omogočajo boljše razumevanje procesa in uvajanje ustreznih ukrepov, da bi proces postal bolj zanesljiv, obvladljiv in predvidljiv.

Glavni namen je ustvarjanje razmer za učinkovitejšo izbiro postopkov in strategij odrezavanja, boljšo izbiro rezalnih orodij in točnejšo določitev pogojev pri odrezavanju. Vse to pa končno vodi do produktivnejše in stroškovno učinkovitejše proizvodnje.

Slika 1:2 STEP ponuja praktične modele za pojasnjevanje in vodenje postopkov odrezavanja kovin.

1.2 Kompleksnost procesov odrezavanja kovin Procesi odrezavanja kovin so vsekakor zelo kompleksni. Pri tem ima pomembno vlogo veliko de‐ javnikov: ‐ obdelovanec (material in geometrija), ‐ obdelovalni stroj (moč, podajanje in hitrosti, stabilnost …), ‐ okolje, v katerem poteka proces (hlajenje, stabilnost …), ‐ sistem vpenjanja obdelovanca in rezalnega orodja, ‐ rezalno orodje in pogoji pri rezanju, ‐ znanje, izkušnje in usposobljenost upravljavca stroja.

Ključno vlogo v procesu ima rezalno orodje. Prav na rezalnem robu se namreč prepletajo vplivi vseh naštetih dejavnikov in na njem poteka dejanska interakcija med obdelovancem (materia‐ lom in obliko) in proizvodnim sistemom (obdelovalni stroj, rezalno orodje ...).

Odrezavanje kovine je proces, kjer se vedno išče ravnovesje med obremenitvami iz okolja, ki de‐ lujejo na rezalni rob, ter obremenljivostjo rezalnega roba in orodja. Prav to ravnovesje je odlo‐ čilno za produktiven in stroškovno učinkovit proizvodni proces. _____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 2

Obremenitve iz okolja izhajajo iz pogojev procesa (obdelovalni stroj, sistemi za pritrjevanje, hla‐ dilni sistemi …), uporabljenih rezalnih parametrov (rezalne hitrosti, podajanje in globina reza), zasnove orodja (trdnost, stabilnost …) ter materiala in geometrije obdelovanca.

Obremenljivost rezalnega roba je odvisna od rezalnega materiala (substrat in prevleka) ter od geometrije rezil (na mikro‐ in makroravni). K zagotavljanju obremenljivosti je mogoče pristopiti na dva načina. Prilagoditev spremenjenim delovnim pogojem z izbiro drugega rezalnega materi‐ ala je razmeroma pasiven ukrep. Proaktiven pristop je prilagoditev rezalne geometrije: rezalni rob z drugačno geometrijo bo primernejši za dano nalogo, obenem pa bo vplival tudi na sam proces.

Slika 1:3 Kompleksnost procesov odrezavanja kovin. Učinkovito odrezavanje pomeni ravnovesje med obremenitvami in obremenljivostjo rezalnega orodja.

Rezalni rob je podvržen različnim obremenitvam in odziv orodja nanje je odvisen od njegove obremenljivosti. Posledično se na njem pojavijo različni vzorci obrabe in slabšanja. Obraba re‐ zalnih robov mora biti vedno nadzorovana. Če obraba uide izpod nadzora, postane proces odre‐ zavanja nezanesljiv in nevaren, proizvodnja v takih razmerah pa ni sprejemljiva. ‐ Mehanske obremenitve (rezalne sile) povzročajo utrujanje, lom in deformacije rezalnih ro‐ bov. ‐ Toplotne obremenitve (visoke temperature pri odrezavanju) povzročijo visoke temperature in temperaturne gradiente, ki katalizirajo procese obrabljanja in slabšanja orodja. ‐ Tribološke obremenitve (pogoji na stikih) na rezalnih robovih povzročajo trenje, abrazijo, erozijo, adhezijo itn. ‐ Kemične obremenitve so vzrok za oksidacijo, korozijo, difuzijo itn. na rezalnih robovih.

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 3

Slika 1:4 Različne obremenitve, ki delujejo na rezalni rob, povzročajo različne vzorce obrabe in slabšanja orodja.

1.3 NEXT STEP, zveza z ekonomiko proizvodnje Izobraževalni program za tehnologije odrezavanja kovin (STEP) je sam po sebi osredotočen predvsem na tehnične in tehnološke vidike procesa odrezavanja. Da bi bolje razumeli proces od‐ rezavanja, do podrobnosti razdela vse tehnološke elemente (glejte Sliko 1:3). Edini izhodni pa‐ rameter procesa bolj splošne narave, ki ga upoštevamo na tej stopnji, je kakovost končnega iz‐ delka (dimenzijske tolerance, tolerance oblike in položaja, hrapavost in tekstura površine).

Postopki odrezavanja kovin se vedno odvijajo v gospodarsko usmerjenem okolju in morajo do končnih izdelkov voditi časovno (produktivnost) in stroškovno učinkovito (ekonomika). Ti vidiki produktivnosti in stroškovne učinkovitosti ter njihova zveza s tehnologijo odrezavanja kovin so predmet izobraževalnih paketov NEXT STEP.

Slika 1:5 Poenostavljen model ekonomske analize postopka odrezavanja kovin. Graf prikazuje vpliv različnih dejavnikov na proizvodne stroške obdelovanca (navpična os).

Pri analizi produktivnosti (porabljen čas) in stroškovne učinkovitosti (porabljen denar) postopka odrezavanja kovin moramo poleg dejanskega produktivnega časa (čas, ko stroj obdeluje kovino) seveda upoštevati še vse druge operacije na obdelovalnem stroju, npr. premikanje obdelovan‐ cev, premikanje in indeksiranje orodij, vzdrževanje, pripravljalni čas stroja in čas za odpravljanje

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 4

težav. Vse te dejavnosti so neizogibne ter rabijo čas in denar. Izjema je odpravljanje napak: če zmanjšamo obseg težav med odrezavanjem, lahko prihranimo veliko časa in denarja.

Interakcija med samim tehnološkim procesom in končnim rezultatom procesa – kakovostjo go‐ tovih izdelkov (vseh!), ter čas in denar, ki ju porabimo, da dosežemo ta rezultat, so prikazani na Sliki 1:6. V diagramu so zbrani vsi neposredni in posredni (vendar odvisni od procesa odrezava‐ nja) stroškovni dejavniki pri proizvodnji serije gotovih izdelkov.

Slika 1:6 NEXT STEP – praktični model zveze med tehnologijo odrezavanja kovin in ekonomiko proizvodnje

Analiza diagrama na Sliki 1:6 pokaže, da vsaka manipulacija, prekinitev dela ali dodelava obdelo‐ vancev prinaša dodatne stroške. Vsak surovec, ki vstopi v proizvodni sistem, ne konča kot potr‐ jeno ustrezen izdelek. Nekateri od njih ne izpolnjujejo zahtev končne kontrole kakovosti, zato so zavrnjeni. Pri nekaterih izdelkih je še možna dodelava (npr. odstranjevanje srha), nekateri pa gredo v škart.

Analiza vzrokov pokaže, da se nezadovoljiva obdelava (ki ne daje ustreznih izdelkov) pojavlja npr. med poskusnimi serijami (z novo ali spremenjeno pripravo), zaradi loma orodja med delom, ki lahko povzroči celo uničenje obdelovancev, ali zaradi spremembe nastavitev obdelave. Vsi ti dogodki neposredno vplivajo na proizvodni čas in na stroške, obenem pa tudi povečujejo posre‐ dne stroške in zmanjšujejo produktivnost. Ekonomski izkupiček je mogoče neposredno ali po‐ sredno izboljšati z zmanjšanjem poskusnih obdelav na minimum (boljše poznavanje procesa), s preprečitvijo loma orodja (boljši nadzor nad obrabljanjem orodja) in z izogibanjem spremembam med proizvodno serijo (boljša priprava procesa).

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 5

Slika 1:7 NEXT STEP – praktični model, ki povezuje tehnologijo odrezavanja kovin z ekonomiko proizvodnje

Medtem ko je program tehnologij odrezavanja kovin (STEP) osredotočen na eno samo aplikacijo, orodje in nabor pogojev pri odrezavanju, Seco s programom NEXT STEP ponuja vrsto izobraže‐ valnih paketov, ki bodo strokovnjakom v proizvodnji razširili pogled z ožjih postopkov odrezava‐ nja na celotno proizvodno organizacijo. Program NEXT STEP konkretno osvetljuje posledice sprememb v sistemu ena aplikacija – eno orodje – en obdelovalni stroj v širšem kontekstu. Z do‐ ločeno kombinacijo lastnosti rezalnega orodja in pogojev pri odrezavanju lahko na primer dose‐ žemo proces odrezavanja, ki je sicer optimalen v ožjem smislu, vendar pri njem nastaja veliko srha. Ta srh moramo nato odstraniti v naslednjem koraku, s čimer se zmanjša celotna produktiv‐ nost in se povečajo skupni proizvodni stroški.

Slika 1:8 STEP in NEXT STEP – zbirka izobraževalnih programov za vseživljenjsko učenje in učenje na daljavo, ki strokovnjake za strojno obdelavo seznanja s sodobno tehnologijo v proizvodnih sistemih za obdelavo kovin z odrezavanjem

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 6

1.4 V znanju je moč Glavno vlogo pri nadzoru v proizvodnem podjetju imajo ljudje. Ljudje so tisti, ki spremljajo pro‐ cese in okolje, v katerem se odvijajo, ter lahko opazijo, da stvari ne potekajo po načrtu ali tako, kot je bilo predvideno. Konkurenčnost vsakega proizvodnega podjetja je zato v veliki meri odvi‐ sna od usposobljenih, kompetentnih in izkušenih ljudi. Ključni dejavnik za trajno uspešnost pod‐ jetja pa je predvsem prisotnost nekaj ljudi z vrhunskimi kompetencami.

Ti ljudje lahko razumejo in upoštevajo tako detajle, torej dejanski proces odrezavanja kovine, kakor tudi širšo sliko celotnega proizvodnega procesa ter vidijo odvisnosti in interakcije med obema ravnema. So kot slikarji, ki so osredotočeni na finese svoje stvaritve, tu in tam pa stopijo korak nazaj in preverijo, kako se drobne poteze prilegajo v celotno sliko.

Ljudje v proizvodnji morajo imeti dostop do najnovejšega strokovnega znanja in dognanj na po‐ dročju postopkov in orodij za odrezavanje kovin. S ponudbo Secovih izobraževalnih programov STEP in NEXT STEP je to znanje sedaj na dosegu roke.

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 7

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 8

Kinematika procesa odrezavanja kovine Odrezavanje je obdelovalni postopek, pri katerem rezalno orodje z definirano geometrijo rezalnih robov mehansko odstranjuje plasti materiala z obdelovanca v obliki odrezkov (DIN 8589).

2.1 Uvod Postopek odrezavanja kovine poteka tako, da se rezalno orodje premika relativno glede na ob‐ delovanec. Za odrezavanje kovin uporabljamo enorezilna (npr. pri struženju) ali večrezilna orod‐ ja (npr. pri frezanju). Metode obdelave z odrezavanjem delimo v dve osnovni skupini: ortogo‐ nalno in poševno odrezavanje. O ortogonalnem odrezavanju govorimo, kadar je rezalni rob pra‐ vokoten na smer gibanja orodja. Če je kot rezalnega roba glede na smer gibanja orodja manjši od 90 stopinj, imamo opravka s poševnim odrezavanjem. Razlike med ortogonalnim in poševnim odrezavanjem so opisane v nadaljevanju tega poglavja.

Slika 2:1 Dvodimenzionalni model procesa odrezavanja, strižna ravnina je označena z rdečo črtkano črto

Ko rezalno orodje prodira v obdelovanec, se zelo povečajo napetosti v materialu pred orodjem in ta se plastično deformira, material obdelovanca je podvržen delovanju striga. Material se od‐ vaja od obdelovanca v obliki odrezkov.

Plastične deformacije so omejene na območje, ki ga imenujemo strižna ravnina. Odrezek se premika navzgor po cepilni ploskvi orodja. Odvisno od materiala obdelovanca se lahko oblikujejo tri različne vrste odrezkov: tekoči odrezki, prekinjeni odrezki in nalepek.

2.2 Odrezavanje in različni materiali obdelovancev Osnovni princip odrezavanja kovine je vedno enak, dejanski potek procesa pa je odvisen od vr‐ ste in lastnosti obdelovanega materiala. Pri nekaterih materialih (z visoko duktilnostjo) odreza‐ _____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 9

vanje poteka nepretrgano in nastajajo dolgi odrezki. Takšne odrezke imenujemo tekoči odrezki.

Odrezavanje pri drugih materialih (z manjšo duktilnostjo) ni tako gladko in rezalni rob se mora prebijati skozi material. Odrezki so zelo kratki in imenujemo jih prekinjeni odrezki.

Slika 2:2 Odrezavanje visokoduktilnega materiala.

Odrezek je v obliki traku in lahko povzroča težave.

Slika 2:3 Odrezavanje materiala obdelovanca z nizko duktilnostjo

Slika 2:4 Različne oblike odrezkov pri različnih materialih

2.3 Idealiziran model procesa odrezavanja kovine Na Sliki 2:5 je prikazan idealiziran dvodimenzionalni model, ki ga bomo uporabili za analizo pro‐ cesa odrezavanja. V tem modelu z idealiziranim ostrim rezalnim robom (leva stran slike) se re‐ zalno orodje premika po obdelovancu s konstantno hitrostjo, ki jo imenujemo rezalna hitrost vc, _____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 10

in prodira v material s konstantno podajalno hitrostjo vf. Rezalni rob odreže plast materiala z debelino h. Pred orodjem se zaradi plastičnega preoblikovanja in striženja materiala nenehno oblikujejo odrezki z debelino hch. Striženje nastaja v t. i. strižni ravnini.

Slika 2:5 Shematski prikaz postopka dvodimenzionalnega odrezavanja

Idealen rezalni rob je ostra linija, kjer se sekata cepilna in prosta ploskev orodja. Osnovna delov‐ na geometrija rezalnega roba je določena s kotom klina (), prostim kotom () in cepilnim ko‐ tom ().

Rezalni robovi so v resnici vedno zaokroženi ali posneti (glejte sliko na desni) zaradi trdnosti.

Idealen rezalni rob je oster in sicer reže zelo gladko, vendar je prešibek, da bi dalj časa vzdržal rezalne sile in toploto, ki nastaja med procesom odrezavanja.

Slika 2:6 Različni položaji rezalnega roba glede na smer gibanja orodja

V zgornjih izvajanjih smo privzeli prosto ortogonalno rezanje (konica ne reže). Pri prostem orto‐ gonalnem (dvodimenzionalnem) odrezavanju kovine je rezalni rob orodja pravokoten glede na smer gibanja orodja. Odrezki se odvajajo pravokotno glede na rezalni rob in navijajo v ravno stisnjeno spiralo. V tem primeru je rezalni rob v stiku z obdelovancem na krajši dolžini. Pri dolo‐ čenem podajanju in globini reza bo rezalna sila, ki odstranjuje material z obdelovanca, delovala na manjši površini orodja, to pa je razlog za skrajšanje obstojnosti orodja. Tak način dela običaj‐ no uporabljamo pri odrezovanju in zarezovanju utorov na stružnicah.

Pri prostem poševnem (tridimenzionalnem) odrezavanju kovine je nagibni kot rezalnega roba glede na smer gibanja orodja manjši od 90 stopinj. Odrezek odteka po površini orodja pod po‐ ševnim kotom in oblikuje dolg zvitek. Pri istem podajanju in globini reza je zdaj rezalni rob v sti‐ ku z materialom obdelovanca na večji dolžini. Rezalne sile se razporedijo po večji površini orod‐ _____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 11

ja, zato je obstojnost orodja daljša. Ta način odrezavanja se uporablja pri praktično vseh obdelo‐ valnih postopkih.

Pri poševnem odrezavanju, ki ni prosto, je konica v stiku z obdelovancem in sodeluje pri rezanju.

To vpliva na samo odrezavanje in na oblikovanje odrezkov, obenem pa je povezano s specifičnim obrabljanjem orodja. Čeprav imamo pri večini obdelovalnih postopkov opravka s prav takim na‐ činom odrezavanja, je bilo dejstvo, da je pri rezanju udeležena tudi konica, dolgo zanemarjeno.

Vpliv konice na potek odrezavanja upoštevamo šele od nedavnega in ga vključujemo v modele, s katerimi opisujemo postopke odrezavanja kovin.

Slika 2:7 Različne strižne cone pri postopku odrezavanja

Bistvo postopka odrezavanja sta preoblikovanje in striženje obdelovanega materiala. Različne cone teh dveh pojavov so prikazane na Sliki 2:7.

Najpomembnejša je primarna strižna cona. V njej se material odreže od obdelovanca in odstrani v obliki odrezka. Pri odrezavanju se večina energije porabi prav v primarni strižni coni. V tem območju se med procesom zaradi zelo velikih napetosti spreminja tudi struktura materiala ob‐ delovanca. Iz tega območja izhaja večina toplote, ki se tvori med odrezavanjem in s katero mo‐ ramo biti zelo previdni. Po eni strani je toplota zaželena, saj lokalno omehča material obdelo‐ vanca, za odrezavanje materiala je potrebna manjša sila in obdelovalni postopek je s tem olaj‐ šan. Če pa se v coni rezanja koncentrira preveč toplote, moramo računati z zelo zvišano tempe‐ raturo in s tveganjem poslabšanja lastnosti rezalnega orodja do te mere, da orodje ni več spo‐ sobno rezati.

Območja, v katerih je material obdelovanca podvržen strigu zaradi trenja ali adhezije med mate‐ rialom obdelovanca in rezalnim orodjem, so sekundarne strižne cone.

Najpomembnejša je sekundarna strižna cona, ki se oblikuje na mestu stika odrezka s cepilno ploskvijo orodja. Zaradi zelo velikih mehanskih in toplotnih obremenitev se odrezek na mestu stika prilepi na cepilno ploskev orodja. Ker se odrezki nenehno premikajo, se ta material hitro spet odtrga od površine orodja. Pri tem se porabi nekaj energije, ki pa je zanemarljiva v primer‐ javi z energijo, ki se rabi v primarni strižni coni. Bolj skrb vzbujajoče so posledice dogajanja v se‐ kundarni coni – zaradi striga se spreminja struktura odrezkov, ki v večini primerov postanejo bolj abrazivni, zato se zviša stopnja abrazivne obrabe na cepilni ploskvi orodja. Vedno obstaja tudi možnost, da odtrgani odrezek s seboj odnese delček rezalnega roba ali cepilne ploskve orodja.

Rezultat je povečana adhezivna obraba rezalnega orodja. Če je spoj med odrezkom in cepilno ploskvijo zelo močan, se lahko zgodi, da ostane na orodju večja količina prilepljenega materiala, _____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 12

ki ga imenujemo nalepek. Pojav nalepka je zelo škodljiv za orodje in za postopek odrezavanja, zato se mu moramo vedno izogniti ali ga omejiti na najmanjšo možno mero. Več o tem lahko preberete v enem od naslednjih poglavij.

V sekundarni strižni coni med obdelovancem in prosto ploskvijo se ne pojavlja obraba, ker nale‐ pljen material odstopa od orodja. Pri nekaterih materialih pa lahko povzroči nastanek deforma‐ cijsko utrjene plasti na obdelani površini. V njej se lahko pojavijo površinske razpoke, ki škodljivo vplivajo na funkcijske lastnosti obdelane površine. Pri deformacijsko utrjeni plasti moramo upoš‐ tevati tudi to, da se bo skozi njo moral prebiti še naslednji rezalni rob. Ta pojav lahko povzroči zarezno obrabo rezalnega roba.

2.4 Spremenljivke v procesu odrezavanja kovine Na proces odrezavanja vpliva veliko parametrov, od katerih je odvisen obdelovalni proces, obe‐ nem pa so lahko odvisni tudi drug od drugega. Proces odrezavanja bo uspešen in učinkovit, le če so vsi parametri za obdelovalni proces pravilno izbrani in usklajeni med seboj. Odrezavanje ko‐ vine je prav zato zelo kompleksen proces z veliko procesnimi spremenljivkami.

Nekaj glavnih neodvisnih spremenljivk v procesu odrezavanja: ‐ material in geometrija rezalnega orodja ‐ material in lastnosti obdelovanca ‐ rezalna hitrost, podajanje in globina reza ‐ vrsta hladilno‐mazalne tekočine in sistem hlajenja ‐ značilnosti obdelovalnega stroja ‐ sredstva za vpenjanje in pritrjevanje Odvisne spremenljivke pri odrezavanju, na katere vplivajo spremembe neodvisnih spremenljivk: ‐ vrsta nastalih odrezkov ‐ rezalne sile in moč ‐ energija, ki se med rezanjem pretvarja v toploto ‐ temperature in temperaturni gradienti v obdelovancu, rezalnem orodju in odrezku ‐ slabšanje in obraba orodja ‐ površinska hrapavost in integriteta obdelane površine

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 13

Slika 2:8 Primeri povezav med nekaterimi odvisnimi in neodvisnimi parametri v procesu odrezavanja kovine

Ena od možnosti za razvrščanje postopkov odrezavanja je glede na osnovni namen operacije, ki je lahko groba ali fina obdelava. Groba obdelava je namenjena odstranitvi čim večje količine od‐ večnega materiala z obdelovanca v čim krajšem času in z najmanjšimi stroški. Kakovost in hrapa‐ vost obdelane površine nista pomembni, saj ju izboljšamo pozneje s fino obdelavo. Učinkovitost grobe obdelave pogosto navajamo s koeficientom stroškovne uspešnosti (CPR), izraženim v evrih na cm3 odstranjenega materiala.

S fino obdelavo poskrbimo za kakovost in površinsko hrapavost obdelane površine. Pogoj za uspešno fino obdelavo je, da z grobo obdelavo pred tem ne povzročimo nobenih poškodb pod površino obdelovanca. Učinkovitost fine obdelave navajamo s koeficientom stroškovne uspe‐ šnosti (CPR), izraženim v evrih na cm2 odstranjenega materiala.

Slika 2:9 Neprekinjeno (npr. struženje) in prekinjeno odrezavanje (npr. frezanje)

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 14

V zgornjih izvajanjih smo izhajali iz tega, da je rezalno orodje med postopkom obdelave v stal‐ nem stiku z obdelovancem ter da se parametri in pogoji odrezavanja ne spreminjajo. To je zna‐ čilno za struženje in tak tip obdelave imenujemo neprekinjena obdelava.

Nasprotno rezalni rob pri frezanju ni stalno v stiku z obdelovancem. Gre torej za prekinjeno od‐ rezavanje, pri katerem se pogoji spreminjajo kot funkcija časa. To je dejavnik, ki zahteva poseb‐ no pozornost pri pripravi postopkov frezanja. Podrobnejše informacije o teh vidikih frezanja lah‐ ko najdete v učbeniku Milling Techniques, Best Practices (Tehnike frezanja, primeri dobre prak‐ se).

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 15

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 16

Splošen opis orodja za odrezavanje kovin Rezalno orodje v kontekstu strojne obdelave je orodje, ki ga uporabljamo za odstranjevanje ma‐ teriala z obdelovanca v procesu deformiranja in striženja. Odrezujemo lahko z enorezilnimi ali večrezilnimi orodji. Enorezilna orodja, pri katerih material odstranjuje en sam rezalni rob, so na‐ menjena struženju, pehanju in podobnim postopkom, medtem ko večrezilna orodja pogosteje srečujemo pri frezanju in vrtanju.

3.1 Uvod Rezalno orodje mora biti izdelano iz rezalnega materiala, ki je trši od obdelovanega materiala, sposobno pa mora biti vzdržati sile in toploto, ki nastaja med odrezavanjem. Imeti mora tudi po‐ sebno geometrijo s prosto ploskvijo, ki je oblikovana tako, da je rezalni rob v stiku z obdelovan‐ cem, preostali del orodja pa se ne vleče po površini obdelovanca. Pomemben je tudi položaj ce‐ pilne ploskve, saj zelo vpliva na proces odrezavanja. Pogoj za dolgo obstojnost orodja sta optimi‐ zirana geometrija orodja ter izbira hitrosti in podajanj, prilagojenih uporabljenemu orodju in operaciji.

Rezalni rob orodja je najpomembnejši in odločilen element za dobro delovanje orodja med od‐ rezovalnim procesom. Glavne značilnosti rezalnega roba so: ‐ oblika in dimenzije rezalnega roba (mikrogeometrija), ‐ oblika ter položaj proste in cepilne ploskve (makrogeometrija), ‐ lastnosti rezalnega materiala in prevlek.

Slika 3:1 Osnovne tehnološke značilnosti rezalnega orodja

Pomena dimenzij in geometrije rezalnega orodja in rezalnega roba ne smemo podcenjevati. Pri opredeljevanju geometrije rezalnega orodja moramo upoštevati več pomembnih dejavnikov, saj so ti geometrijski elementi odločilnega pomena za dobro delovanje rezalnega orodja: ‐ Oblika in geometrija orodja oz. rezalnega roba morata zagotavljati odrezavanje v najus‐ treznejših pogojih (rezalne sile, nastajanje toplote …). Rezalni rob mora biti po drugi _____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 17

‐

‐ ‐

strani tudi dovolj močan, da lahko daljši čas vzdrži različne obremenitve (mehanske, toplotne, tribološke in kemične).

Rezalni rob mora imeti visoko stopnjo odvzema materiala, torej mora biti sposoben od‐ straniti čim večjo količino materiala v časovni enoti. Ta stopnja je funkcija globine reza, podajanja in rezalne hitrosti, ki jih izberemo za obdelovalni proces.

Rezalno orodje mora delovati tako, da bo površina obdelovanca točno obdelana, torej da bo končni izdelek pravih dimenzij in da bo imela obdelana površina zahtevano hrapavost.

Orodje mora biti oblikovano tako, da se kar se da dolgo ohrani v brezhibnem stanju.

3.2 Izbira orodja Izbira rezalnega orodja pomeni iskanje orodja s tehnološkimi karakteristikami, ki ustrezajo ope‐ raciji in delovni nalogi.

Slika 3:2 Model izbire orodja

Če bi rezalno orodje izbirali zgolj na podlagi karakteristik, bi nam bila na voljo množica različnih orodij, ki so vsa po vrsti primerna za delovno operacijo.

K dokončni izbiri zato pripomorejo dodatni kriteriji. Na višji ravni sta nam na voljo dve glavni strategiji za izbiro – na podlagi zmogljivosti in na podlagi vsestranskosti orodja. Pristop na podla‐ gi zmogljivosti se osredotoča na posamezno nalogo in rezultat postopka izbire je rezalno orodje, ki je najboljše za to nalogo. Govorimo o mikroekonomski izbiri optimalnega rezalnega orodja.

Prednost tega sistema je, da vedno izberemo optimalno orodje za dano operacijo oziroma de‐ lovno nalogo. Zmogljivost je opredeljena kot stopnja odvzema materiala in izbrano orodje ima najvišji koeficient stroškovne uspešnosti (CPR) za nalogo. Slabost tovrstnega pristopa pa je v tem, da mora delavnica vzdrževati večjo zalogo različnih orodij – še posebej, če ni ozko speciali‐ zirana samo za nekatere obdelave.

Pri makroekonomskem sistemu izbire, kjer je poudarek na vsestranskosti orodja, imajo prednost tista orodja, ki se dovolj dobro izkažejo v več različnih aplikacijah. Ocenjuje se torej zmogljivost orodja za izbrano skupino aplikacij. Prednost tega pristopa je v tem, da ima delavnica na zalogi manj različnih orodij, slabost pa, da orodje nima enakega koeficienta stroškovne učinkovitosti CPR za vsako posamično operacijo kot drugo orodje, ki bi ga izbrali na podlagi zmogljivosti.

Upravičena je seveda uporaba enega ali drugega sistema. Za katerega se bodo odločili uporabni‐ ki, pa je odvisno tudi od drugih vidikov v delavnici, kompleksnosti operacij, velikosti serij itd. _____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 18

3.3 Osnovne definicije geometrijskih značilnosti rezalnega orodja Vsako orodje je v osnovi sestavljeno iz držala (ki nosi rezalni rob) in rezila (rezalnega roba). Ta delitev je očitna pri orodjih z izmenljivimi obračalnimi ploščicami, kjer so rezila oz. rezalni robovi izoblikovani na ploščicah, ki jih nosi orodno držalo ali frezalo.

Držalo povezuje rezalni rob in obdelovalni stroj ter zagotavlja togo, stabilno in točno zvezo. To so obenem tudi kriteriji za izbiro ustreznega držala.

Rezalni rob je del orodja, ki reže. Oblikovan je na presečišču oz. na stiku cepilne in proste plos‐ kve rezalnega orodja. Cepilna ploskev je površina, po kateri drsijo oblikovani odrezki, prosta plo‐ skev pa je del orodja, ki gleda proti obdelovancu. Vsako orodje ima dva rezalna roba – glavni in sekundarni oz. pomožni rezalni rob. Glavni rezalni rob dejansko opravlja delo ter odstrani najve‐ čji del materiala obdelovanca, medtem ko pomožni rezalni rob skrbi predvsem za kakovost in hrapavost obdelane površine. Konica oz. vrh rezalnega orodja je točka na stiku glavnega in po‐ možnega rezalnega roba. Konica je lahko ostra, posneta ali zaokrožena. Če je konica orodja zao‐ krožena, je podan radij zaokrožitve.

Slika 3:3 Osnovni koncept enorezilnega orodja

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 19

Slika 3:4 Rezalna geometrija

Delovanje rezalnega roba je odvisno od rezalne geometrije, ki je opredeljena z več pomembnimi rezalnimi koti: ‐ Prosti kot določa naklon proste ploskve rezalnega orodja. Ta kot je potreben zato, da se orodje ne bi drgnilo po obdelovancu. ‐ Cepilni kot določa naklon cepilne ploskve orodja, ki se meri pravokotno na rezalni rob. Ce‐ pilni kot vpliva na lahkotnost odrezavanja (rezalne sile, nastajanje toplote …) ter na obliko‐ vanje in tok odrezkov. ‐ Kot klina je kot med cepilno in prosto ploskvijo orodja. Velik kot klina daje močnejši rezalni rob, manjši kot klina pa pomeni, da je rezalni rob ostrejši. Cepilni kot, prosti kot in kot klina so komplementarni (njihova vsota je 90°). ‐ Nastavni kot je kot med glavnim rezalnim robom in smerjo podajanja. Kot pomožnega re‐ zalnega roba je kot med pomožnim rezalnim robom in smerjo podajanja. ‐ Nagibni kot je naklon rezalnega roba glede na točko rezanja. Ta kot vpliva predvsem na oblikovanje in tok odrezkov. ‐ Kot konice rezalnega orodja je kot med glavnim in pomožnim rezalnim robom. Orodja z ve‐ likim kotom konice so močnejša, orodja z majhnim kotom konice pa so bolj vsestranska.

Zmogljivost rezalnega orodja je zelo odvisna tudi od rezalnega materiala. Obstojnost orodja je pomemben dejavnik pri določanju zmogljivosti odrezavanja. Nobeno orodje namreč ne more učinkovito delovati v nedogled, zato je doba uporabnosti omejena. Obstojnost orodja je čas, v katerem orodje deluje zadovoljivo. Ko orodje otopi, se ta čas izteče in orodje moramo zamenjati.

Glavni dejavnik, ki določa obstojnost orodja, je rezalna hitrost. Ob povečanju rezalne hitrosti se namreč zvišajo tudi temperature pri rezanju, posledično se zmanjša delovna sposobnost rezal‐ nega materiala, orodje se hitreje obrablja in njegova obstojnost se skrajša. Glavne lastnosti, ki jih zahtevamo od rezalnega materiala, so opisane v nadaljevanju. ‐ Trdota ali protiobrabna obstojnost je sposobnost rezalnega materiala, da se upira obrabi.

Orodje je med odrezavanjem med drugim podvrženo abrazivnemu delovanju materiala obdelovanca; če ni dovolj obstojno proti obrabi, se rezalni rob hitreje obrablja in orodje je treba pogosteje menjavati. Visoka trdota materiala sicer pomeni dobro obstojnost proti obrabi, toda tak material slabše prenaša mehanske udarce. _____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 20

‐ Trdota v vročem je sposobnost rezalnega materiala, da vzdrži zelo visoke temperature pri rezanju in ohrani svojo rezalno sposobnost. ‐ Žilavost rezalnega materiala je obstojnost proti mehanskim udarcem, ki se pojavljajo npr. pri prekinjenem odrezavanju. Omejena je s trdoto orodja, saj je material, ki je zelo trd, tudi krhek in šibak. Poleg tega je zaželena tudi odpornost proti toplotnim šokom.

Slika 3:5 Primer smernic za izbiro kotov za obdelovane materiale različnih trdot .

Slika 3:6 Osnovni koncept enorezilnega orodja. Vidni so nastavni kot glavnega rezalnega roba, radij zaokrožitve (le‐ vo) in nagibni kot (desno).

3.4 Pozitivna in negativna rezalna orodja Rezalna orodja lahko glede na lego cepilne ploskve delimo na orodja z negativno, pozitivno in nevtralno geometrijo. Slika 3:8 prikazuje prednosti in slabosti obeh geometrij. Pozitivna rezalna orodja so primernejša za obdelavo mehkih in duktilnih materialov (npr. aluminija), negativna rezalna orodja pa se na splošno uporabljajo za odrezavanje trših materialov, ki zahtevajo večje rezalne sile in močnejši rezalni rob.

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 21

Slika 3:7 Pozitivna, negativna in nevtralna rezalna geometrija

Slika 3:8 Prednosti in slabosti pozitivne in negativne geometrije rezalnega orodja

3.5 Vpliv mikrogeometrije Rezalna geometrija iz prejšnjega poglavja se imenuje tudi makrogeometrija orodja in opisuje po‐ ložaj različnih glavnih ploskev rezalnega orodja glede na rezalni rob. Mikrogeometrija na drugi strani opisuje obliko dejanskega rezalnega roba in vključuje geometrijo oziroma pripravo prave‐ ga rezalnega roba, geometrijo hrbta rezalnega roba in geometrijo utorov za odvajanje odrezkov.

Geometrija pravega rezalnega roba (običajno jo imenujemo samo geometrija rezalnega roba) opisuje njegovo dejansko obliko, ki je lahko ostra, zaokrožena ali posneta. Če je rezalni rob zao‐ krožen, je podan radij zaokrožitve (tega ne smemo zamenjati z radijem konice). Geometrija re‐ zalnega roba je odločilna za njegovo trdnost in zelo vpliva na obstojnost rezalnega orodja. Ta geometrija vpliva tudi na kakovost obdelane površine. _____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 22

Geometrija utora za odvajanje odrezkov in geometrija za lomljenje odrezkov določata obliko ce‐ pilne ploskve na rezalnem orodju. Ko je odrezek oblikovan, ga mora orodje kar najbolj učinkovi‐ to odstraniti. Večina obdelovanih materialov je nagnjena k oblikovanju dolgih odrezkov, predolgi odrezki pa ogrožajo učinkovitost obdelave in se jim moramo po možnosti vedno izogniti. Odrezki se morajo torej odlomiti, še preden bi lahko povzročili težave. S tem je zagotovljeno enostavno odstranjevanje odrezkov, poveča se varnost obdelave in je odpravljeno tveganje, da bi odrezki poškodovali obdelovalni stroj ali obdelovanec. Geometrija za lomljenje odrezkov predstavlja ovi‐ ro, na kateri se odrezki upognejo, odlomijo (Slika 3:11) in so zato krajši. Geometrijske oblike za lomljenje odrezkov najdemo na cepilnih ploskvah rezalnega orodja. Geometrija za lomljenje od‐ rezkov ne vpliva le na oblikovanje odrezkov temveč tudi na smer in velikost rezalnih sil.

Geometrija hrbta rezalnega roba oblikuje prehod oz. most med geometrijo pravega rezalnega roba in geometrijo za lomljenje odrezkov. Kot taka je del mikrogeometrije za lomljenje odrezkov in ima pomembno vlogo v procesu oblikovanja odrezkov. Nanjo lahko gledamo tudi kot na po‐ daljšek geometrije pravega rezalnega roba, ki pomembno prispeva k trdnosti rezalnega roba.

Geometrija hrbta rezalnega roba torej opravlja dve kritični nalogi. Ta geometrija je lahko pozi‐ tivna (Slika 3:9) ali negativna. Negativni hrbet zagotavlja močnejši, pozitivni hrbet pa ostrejši re‐ zalni rob. Učinkovito delovanje geometrije hrbta rezalnega roba je v veliki meri odvisno od poda‐ janja in od debeline odrezkov. Osnovno pravilo je, da ne sme biti debelina odrezka nikoli manjša od širine hrbta rezalnega roba. To pravilo je še posebej pomembno pri negativni geometriji hrb‐ ta rezalnega roba.

Slika 3:9 Mikrogeometrija je kombinacija geometrije pravega rezalnega roba (priprave rezalnega roba), geometrije hrbta rezalnega roba in geometrije utora za odvajanje odrezkov.

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 23

Slika 3:10 Geometrija rezalnega roba. Obstojnost rezalnega roba je zelo odvisna od različnih geometrij in od kako‐ vosti rezalnega roba. Na levi je geometrija manj kakovostnega rezalnega roba, na desni pa rob, ki ima enako geo‐ metrijo, vendar je bistveno kakovostnejši.

Slika 3:11 Utor za odrezke in lomilec odrezkov oblikujeta oviro, na kateri se odrezki zvijejo v tesno spiralo in odlomijo.

3.6 Rezalni parametri Zmogljivost rezalnega roba je odvisna tako od njegovih osnovnih geometrijskih značilnosti kakor tudi od lastnosti rezalnega materiala. Še pomembnejši pa so pogoji procesa, v katerih deluje re‐ zalno orodje in ki jih pri strojni obdelavi z odrezavanjem imenujemo rezalni parametri. Ti določa‐ jo, kako in s kakšnimi hitrostmi se orodje premika po oz. v obdelovancu. _____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 24

Delovanje osnovnega enorezilnega orodja je odvisno od treh rezalnih parametrov – globine reza (ap) (mm), podajanja (f) (mm/obrat) in rezalne hitrosti (vc) (m/min). ‐ Rezalna hitrost je opredeljena kot pot, ki jo rezalni rob opravi v smeri rezanja v enoti časa. ‐ Podajanje je pot, ki jo rezalni rob opravi v smeri podajanja na en obrat obdelovanca.

Večrezilna orodja (npr. frezala) zahtevajo natančnejšo definicijo podajanja. ‐ Globina reza je debelina materiala, ki jo rezalni rob odstrani z obdelovanca v enem pre‐ hodu.

Slika 3:12 Osnovni rezalni parametri za enorezilno stružno orodje

Samo po sebi umevno je, da obstajajo soodvisnosti med delovno nalogo, ki jo opravlja rezalno orodje, lastnostmi orodja in rezalnimi parametri. Te odvisnosti lahko združimo v dve glavni sku‐ pini. Prvi niz odvisnosti vključuje material obdelovanca, rezalno hitrost in rezalni material. Spre‐ memba kateregakoli od teh treh dejavnikov vpliva na preostala dva, ki ju je zato morda treba prilagoditi. Druga veriga odvisnosti obsega vrsto delovne naloge, rezalne parametre (podajanje in globina reza) ter geometrijske značilnosti rezalnega orodja.

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 25

Slika 3:13 Odvisnosti med rezalnimi parametri, lastnostmi rezalnega orodja in aplikacijo

Tukaj opisani rezalni parametri določajo, kako se bo rezalno orodje gibalo v obdelovancu, včasih jih imenujemo tudi tehnični rezalni parametri. Za boljše razumevanje delovanja rezalnega roba pa lahko definiramo še tehnološke rezalne parametre, ki bolje opredeljujejo rezanje s pravim rezalnim robom. ‐ Širina odrezka ali širina reza je dolžina, na kateri je pravi rezalni rob v stiku z materialom ob‐ delovanca. Merimo jo vzdolž rezalnega roba. ‐ Debelina odrezka je debelina nedeformiranega materiala, ki ga mora odrezati rezalni rob.

Merimo jo pravokotno na rezalni rob. ‐ Koeficient debeline odrezka je definiran kot količnik širine reza in debeline odrezka, pred‐ stavlja pa merilo za vitkost odrezka. Od vitkosti odrezka je zelo odvisna tudi vrsta odrezkov, ki se oblikujejo med odrezavanjem in so lahko dolgi ali kratki. Idealna vrednost vitkosti od‐ rezkov za večino aplikacij je 10. ‐ Prerez odrezka je zmnožek širine reza in debeline odrezka. Je merilo za obremenitve rezal‐ nega roba.

Kot prikazuje Slika 3:14, obstaja odvisnost med podajanjem in debelino odrezkov ter med globi‐ no in širino reza. Glavni člen v tej odvisnosti je nastavni kot: ko se nastavni kot povečuje in se približa vrednosti 90°, lahko zaradi praktičnih razlogov privzamemo, da debelina odrezka, poda‐ janje, globina in širina reza zavzamejo enake vrednosti. Z zmanjševanjem nastavnega kota pri danem podajanju in globini reza se povečuje širina reza in zmanjšuje debelina odrezkov.

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 26

Slika 3:14 Tehnološka rezalna parametra širina reza (b) in debelina obdelovanca (hc). Povezava med globino in širino reza ter med podajanjem in debelino odrezka je odvisna od nastavnega kota Kr .

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 27

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 28

Model odrezovalnosti Pojem odrezovalnost pri strojni obdelavi označuje lastnost, da je neko operacijo mogoče izvajati brez prevelikih težav. Odrezovalnost je odvisna od več dejavnikov, npr. od pogojev v procesu, re‐ zalnih parametrov, uporabljenega rezalnega orodja in materiala obdelovanca. Tradicionalno jo povezujemo predvsem z obdelovanim materialom. Pričujoče poglavje obravnava koncept odre‐ zovalnosti, dejavnike, od katerih je odvisna, načine določanja odrezovalnosti in načela v zvezi z odrezovalnostjo.

4.1 Uvod Odrezovalnost je večplasten koncept in ni povsem enoznačno določljiva, zato jo vedno obravna‐ vamo in razumevamo glede na dano aplikacijo. Tradicionalno definicijo odrezovalnosti, ki dopu‐ šča več interpretacij, lahko povzamemo takole: vedenje materiala obdelovanca med procesom odrezavanja in njegov vpliv na rezultate procesa.

Slika 4:1 Globalni model odrezovalnosti

Odrezavanje kovin je proces, pri katerem vedno iščemo ravnovesje med obremenitvami iz oko‐ lja, ki delujejo na rezalni rob, ter obremenljivostjo rezalnega roba in orodja. To ravnovesje je namreč odločilno za produktiven in stroškovno učinkovit proizvodni proces. Kadar imamo opravka z dobro odrezovalnostjo, pomeni, da nam je uspelo vzpostaviti dobro ravnovesje med obremenitvami in obremenljivostjo rezalnega orodja.

Obremenitve iz okolja izhajajo iz pogojev procesa (obdelovalni stroj, vpenjalni sistemi, hladilni sistemi …), uporabljenih rezalnih parametrov (rezalne hitrosti, podajanje in globina reza), zasno‐ ve orodja (trdnost, stabilnost …) ter materiala in geometrije obdelovanca.

Obremenljivost rezalnega roba je odvisna od rezalnega materiala (substrat in prevleka) ter od geometrije rezila (na mikro‐ in makroravni). Potrebno obremenljivost lahko zagotovimo na dva načina. Prilagoditev spremenjenim delovnim pogojem z izbiro drugega rezalnega materiala je _____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 29

razmeroma pasiven ukrep. Naloge se bolj proaktivno lotimo s prilagoditvijo rezalne geometrije: rezalni rob z drugačno geometrijo bo primernejši za dano nalogo, obenem pa bo vplival tudi na sam proces.

Slika 4:2 Značilni pojavi obrabe in slabšanja orodja pri odrezavanju kovin kot kriterij odrezovalnosti

Doseženo ravnovesje in kakovostno odrezovalnost ugotavljamo posredno prek obrabe in slab‐ šanja rezalnega roba. Dobra odrezovalnost je vedno povezana z obvladljivo, predvidljivo in varno obrabo.

4.2 Različni pristopi k odrezovalnosti Dejavniki na strani rezultatov procesa, ki jih moramo upoštevati v zvezi z odrezovalnostjo in ki odločilno vplivajo na ekonomiko proizvodnje, so kakovost dokončanih izdelkov, motnje ali pre‐ kinitve obdelovalnega procesa, dosegljiva zmogljivost proizvodnje (čas cikla) v danih razmerah, varovanje okolja in recikliranje obdelovanega materiala.

Slika 4:3 Model odrezovalnosti s skupinami vzrokov in posledic

Analiza odrezovalnosti mora poleg teh rezultatov vključevati še stroške rezalnih orodij, obdelo‐ valnih strojev in druge proizvodne opreme ter stroške dela. V nekaterih primerih lahko tudi stro‐ ški obdelovanega materiala posredno vplivajo na njegovo odrezovalnost. Pojave in vedenja v odrezovalnem procesu delimo na pet večjih skupin: rezalne sile in moč, oblikovanje in vedenje _____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 30

odrezkov, slabšanje in obraba rezalnih orodij, obdelane površine in njihove značilnosti, nastala toplota, temperature pri odrezavanju ter temperaturni gradienti.

Slika 4:4 Model odrezovalnosti z merili vedenj odrezovalnega procesa

Prikazana razvrstitev temelji bolj na tradiciji kot na analizi medsebojnih povezav med posame‐ znimi skupinami. Tako na primer niso upoštevane odvisnosti med različnimi vedenji ter ni razlo‐ čitve med dejavniki pod našim nadzorom in parametri na izhodu iz procesa. Rezalne sile tako npr. vplivajo na vse dejavnike, ki so vključeni v koncept odrezovalnosti, slabšanje rezalnega orodja neposredno vpliva na prašenje pri obdelavi kompozitnih materialov, ojačenih z vlakni ...

Slika 4:5 Globalna analiza odrezovalnosti

Ločujemo različne ravni odrezovalnosti in na vsaki od njih se srečujemo z odvisnostmi, zaradi katerih pogosto ni mogoče podati preproste razlage odrezovalnosti. Lahko pa zabeležimo na‐ slednjo verigo odvisnosti: lastnosti materiala vplivajo na potek procesa, ta vpliva na odrezoval‐ nost in izhodne parametre procesa, s tem pa določa zmogljivost proizvodnje in strošek obdelave.

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 31

4.3 Lastnosti obdelovanega materiala in odrezovalnost Odrezovalnost materiala lahko opisujemo v povezavi z njegovimi lastnostmi. Odrezovalnost v tem kontekstu je relativen koncept in je odvisna od vsakokratnih pogojev. Predpostavka pri vsa‐ ki primerjavi odrezovalnosti različnih materialov mora biti najboljši možni nabor pogojev pri ob‐ delavi. Ko razvrščamo različne materiale po odrezovalnosti, ni nujno, da dobimo enak vrstni red denimo za vrtanje in za struženje. Enako velja tudi za primerjavo dveh različnih vrst struženja, kot sta vzdolžno struženje in struženje utorov. Da bi imeli kriteriji odrezovalnosti tudi praktično vrednost, morajo biti torej prilagojeni za izbrano operacijo.

Slika 4:6 Lastnosti materiala obdelovanca, ki vplivajo na odrezovalnost.

Prikazan je tudi ISO‐sistem razvrščanja obdelovanih materialov.

Odrezovalnost je določena predvsem s petimi glavnimi lastnostmi obdelovanega materiala, ki same po sebi in v kombinaciji z drugimi lastnostmi vplivajo na odrezovalnost materiala. Te last‐ nosti so: 1.

2.

3.

4.

5.

trdota in preoblikovalni odpor, abrazivnost in nagnjenost k obrabi, duktilnost in sprijemnost, deformacijsko utrjanje, tj. povečanje napetosti tečenja zaradi deformacij, majhna toplotna prevodnost in/ali majhna specifična toplota.

Naštete materialne lastnosti niso neposredno povezane s procesom odrezavanja, zato lahko pri‐ čakovano oz. potencialno odrezovalnost materiala ocenjujemo tudi le na podlagi teh dejavnikov, torej brez upoštevanja rezalnega orodja ali rezalnih parametrov.

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 32

Slika 4:7 Lastnosti obdelovanega materiala, ki vplivajo na odrezovalnost

Na podlagi ocenjene vloge vsake od teh lastnosti pri določanju odrezovalnosti danega materiala lahko izrišemo polarni diagram. Osi diagrama jasno predstavljajo fizikalne veličine.

Slika 4:8 Primer polarnega diagrama, ki prikazuje vpliv materialnih lastnosti na odrezovalnost nekega materiala (modro osenčen predel) v primerjavi z njihovim vplivom na referenčni material (debela črna črta)

Sprijemanje materiala obdelovanca na rezalno orodje je eden od mnogih pojavov pri odrezava‐ nju, zaradi katerih je odrezovalni proces zelo kompleksen in pogosto tudi težko predvidljiv. Spri‐ jemnost obdelovanega materiala je povezana z duktilnostjo. Visokoduktilen material je pogosto močno nagnjen k sprijemanju na rezalno orodje, to pa lahko ugodno ali neugodno vpliva na od‐ rezovalnost. Če je stopnja sprijemanja dovolj visoka in je oprijem nalepljenega materiala na re‐ zalnem robu dovolj stabilen, lahko ta material zaščiti rezalni rob in podaljša obstojnost orodja.

Material, ki se na rezalni rob lepi slabo, le za kratek čas in pogosto odpade, pa privede do hitre in progresivne obrabe rezalnega orodja, ki jo imenujemo adhezivna obraba. Meja med enim in drugim načinom vedenja je včasih zelo tanka in že najmanjše razlike v lastnostih obdelovanega materiala lahko povzročijo občutne razlike v poteku odrezovalnega procesa.

Toplotna prevodnost obdelovanega materiala zelo vpliva na temperaturo v procesu. Enoodstot‐ no povečanje toplotne prevodnosti obdelovanega materiala (pri jeklu) povzroči, da se tempera‐ tura v procesu zniža za več desetink °C. Specifična toplota obdelovanega materiala je dejavnik, ki _____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 33

ima sorazmerno največji vpliv na temperaturo v procesu – ko se specifična toplota poveča za en odstotek, se temperatura v procesu zniža za več °C. Dejstvo, da se po odrezovalnosti razlikujejo sorodne vrste jekel z različno kemično sestavo, je predvsem posledica razlik v njihovi specifični toploti.

Na lastnosti obdelanih površin vpliva tudi deformacijsko utrjanje materiala, zaradi katerega lah‐ ko po končani obdelavi opazimo precejšnje razlike v lastnostih materiala na različnih delih obde‐ lovanca. Zunanja plast ima pogosto precej večjo trdoto in napetost tečenja kot material obdelo‐ vanca, ki ni bil podvržen deformacijskemu utrjanju. Kadar nastopi deformacijsko utrjanje v de‐ formacijski coni in so odrezki zelo tanki, se poveča obremenitev rezalnega roba. Za fino obdela‐ vo v pogojih tako povečanih obremenitev je zato priporočljivo uporabiti nekoliko večje podaja‐ nje. Deformacijsko utrjanje v kombinaciji z majhno toplotno prevodnostjo lahko povzroči precej slabo odrezovalnost materiala.

Rezalno orodje, ki obdeluje zelo abraziven material, je podvrženo visoki stopnji abrazivne obra‐ be. Abrazivna obraba nastopi, ko trda in groba površina drsi po mehkejši. Definirana je kot izgu‐ ba materiala zaradi delovanja trdih delcev ali izstopajočih oblik, ki se premikajo po trdni površini pod vplivom zunanje sile. Abrazivno obrabo običajno klasificiramo glede na tip in pogoje kontak‐ ta. Vrsta kontakta določa način abrazivne obrabe, ločimo pa abrazivno obrabo med dvema tele‐ soma in abrazivno obrabo med tremi telesi. Abrazivna obraba med dvema telesoma nastane, kadar drobci ali trdi delci odnašajo material z nasprotne površine, podobno kot pri odstranjeva‐ nju oz. prestavljanju materiala z rezanjem ali pluženjem. Obraba med tremi telesi nastopi, kadar delci niso fiksirani ter se lahko prosto kotalijo in drsijo po površini.

Slika 4:9 Pregled petih lastnosti materiala, ki odločilno vplivajo na odrezovalnost. Naštete so tudi skupine materialov po ISO, pri katerih se pogosto srečujemo s temi lastnostmi, in s tem povezane največje težave z odrezovalnostjo.

Lastnosti rezalnega orodja in rezalni parametri zelo vplivajo na stopnjo odrezovalnosti izbranega obdelovanega materiala. Pri izboljševanju stopnje odrezovalnosti s prilagajanjem rezalnih para‐ metrov si lahko pomagamo s polarnim diagramom. Polarne diagrame lahko podobno uporabimo tudi pri izbiri ustreznih lastnosti rezalnega orodja. Z ustreznimi lastnostmi orodja in rezalnimi parametri lahko kompenziramo vpliv ene ali več materialnih lastnosti. _____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 34

Slika 4:10 Pregled lastnosti obdelovanih materialov, njihovega vpliva na odrezovalnost in največjih težav na področju odrezovalnosti. Podana so tudi splošna priporočila za izbiro orodij in rezalnih parametrov.

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 35

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 36

Modeli oblikovanja odrezkov Le redkokatera raziskovalna tema na področju obdelave kovin z odrezavanjem je pritegnila toliko pozornosti znanstvenikov kot oblikovanje odrezkov. Obenem se je izkazalo, da je rezultate znan‐ stvenih raziskav težko pretvoriti v modele s praktično uporabno vrednostjo. V tem poglavju obravnavamo oblikovanje odrezkov s praktičnega vidika. Pri vsakem procesu odrezavanja kovine mora biti zagotovljeno, da oblikovanje in odstranjevanje odrezkov ne motita odrezavanja ter da odrezki ne poškodujejo obdelovalnega stroja, rezalnega orodja in obdelovanca, seveda pa mora biti poskrbljeno tudi za varnost upravljavca obdelovalnega stroja.

5.1 Uvod

Slika 5:1 Poenostavljen model oblikovanja odrezkov

Material, ki ga odstranjujemo z odrezavanjem, je podvržen plastičnim deformacijam in strigu v strižni ravnini in se ločuje od obdelovanca v obliki odrezkov. Večina energije, ki jo moramo vložiti v obdelavo, se porabi prav v tej strižni coni. Nekateri obdelovani materiali tvorijo daljše odrezke, drugi pa krajše. Če predpostavimo, da obdelovani material ni stisljiv, ostane prostornina materiala, ki se defor‐ mira v strižni ravnini, konstantna. Predpostavimo tudi, da gre pri procesu deformiranja za pre‐ prost strig in da je material, ki se odstranjuje v obliki odrezkov, sestavljen iz naloženih plasti, ki so vzporedne s strižno ravnino. Tvorbo odrezkov lahko zdaj pojasnimo kot proces striženja plasti materiala.

5.2 Lastnosti obdelovanega materiala in oblikovanje odrezkov Tvorba odrezkov je odvisna od več dejavnikov in jasno je, da je eden od najpomembnejših obde‐ lovani material. Odrezavanje kovine je proces, v katerem se material obdelovanca plastično pre‐ oblikuje in odstriže. Odločilno vlogo v procesu imajo elastične in plastične lastnosti materiala.

Različni materiali imajo različne kombinacije strižne trdnosti in duktilnosti. Duktilnost je lastnost materiala, da lahko prenese deformacije, ne da bi se zlomil (Slika 5:2). Večja ko je duktilnost ob‐ delovanega materiala, daljši so odrezki. Iz izkušenj je izpeljano pravilo, da dolgi oz. zelo dolgi od‐ rezki nastanejo, kadar duktilnost materiala presega 25 %.

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 37

Slika 5:2 Vpliv plastičnih in elastičnih lastnosti obdelovanega materiala na proces oblikovanja odrezkov. Pri nekaterih materialih dobimo dolge odrezke, pri drugih lameličaste in pri tretjih zelo kratke odrezke (Vieregge).

Pristop delitve po različnih odrezkih je uporabljen v sistemu ISO za klasifikacijo različnih vrst ob‐ delovanih materialov. Vsaka skupina ISO (P, M, K, N, S in H) ima značilne odrezke, ki zahtevajo izbiro ustreznega orodja in rezalnih parametrov. ‐ ISO‐skupina materialov P (jeklo) vključuje materiale z razmeroma veliko duktilnostjo in nji‐ hovi odrezki so običajno dolgi. Sprejemljivo obliko in dolžino odrezkov zagotavljamo z ustreznimi ukrepi. ‐ V ISO‐skupinah K (litine) in H (trda jekla) so materiali z majhno duktilnostjo. Odrezki so krat‐ ki in pri njihovem obvladovanju ne pričakujemo težav. ‐ V ISO‐skupinah M (nerjavno jeklo), S (superzlitine) in N (neželezni materiali) so materiali z razmeroma majhno duktilnostjo, ki so nagnjeni k sprijemanju na rezalni material. Tvorba odrezkov je zato povezana z nalepkom na orodju (podrobnejši opis tega pojava je podan v nadaljevanju).

Slika 5:3 ISO‐klasifikacija materialov po skupinah in značilni odrezki pri različnih vrstah materialov

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 38

5.3 Razvrstitev osnovnih oblik odrezkov Pri odrezavanju se srečujemo z različnimi odrezki, od zelo dolgih do zelo kratkih. Idealen odrezek ni niti predolg niti prekratek. Pri prekratkih odrezkih se proces odrezavanja nenehno prekinja, kar pripomore k prezgodnjim mikrozlomom (krušenju) rezalnega roba in nezadostni obstojnosti orodja. Z vidika obstojnosti orodja so idealni dolgi odrezki, ki se tvorijo zvezno ter povzročajo manj mikrovibracij za boljšo kakovost obdelane površine. Dolgi odrezki so po drugi strani manj ugodni za sam proces odrezavanja, saj lahko poškodujejo obdelovalni stroj, obdelovanec in orodje, ogrožajo pa lahko tudi upravljavce. Pogosto povzročajo tudi prekinitve proizvodnje zara‐ di težav pri odvajanju z elevatorjem odrezkov.

Slika 5:4 Odrezki, razvrščeni po dolžini od dolgih do kratkih. Od leve proti desni: trakovi, zviti odrezki, široki dolgi navoji, ozki odprti navoji, ozki stisnjeni navoji, široki kratki navoji (idealen odrezek), spirale, polžasti odrezki, luske in drobni odrezki

Teh težav pri kratkih odrezkih sicer nimamo, so pa ti povezani s prekinjenim procesom odreza‐ vanja in s tveganjem prekratke obstojnosti orodja (krušenja rezalnega orodja) in mikrovibracij, ki negativno vplivajo na kakovost obdelane površine.

Idealni odrezki so spiralne oblike in niso ne predolgi ne prekratki, omogočajo pa optimalno od‐ rezavanje z vidika tvorbe odrezkov.

Slika 5:5 Različne oblike odrezkov in posledice

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 39

5.4 Elementi, ki vplivajo na tvorbo odrezkov Dobro oblikovani odrezki so spiralni. Zagotavljajo dobro obstojnost orodja, preprosto čiščenje oz. odstranjevanje, stabilen in zanesljiv proces odrezavanja ter dobro kakovost in površinsko hrapavost obdelane površine kot rezultat učinkovitega procesa. Na kratko, dober odrezek mora biti zaradi vrste praktičnih razlogov ravno prav velik in ga ne sme biti pretežko ustvariti.

Slika 5:6 Primeri značilnih vplivnih dejavnikov pri tvorbi odrezkov

V praksi lahko na proces tvorbe odrezkov delno vplivamo s prilagajanjem različnih dejavnikov, ki jih lahko združimo v skupine dejavnikov rezalnega orodja, dejavnikov rezalnih parametrov, de‐ javnikov materiala in dejavnikov hladilnega sistema.

Med dejavnike materiala spadajo tudi trdota, natezna trdnost, duktilnost in struktura. Teh last‐ nosti ni mogoče spreminjati zato, da bi vplivali na boljše oblikovanje odrezkov, vendar pa mora biti upravljavec seznanjen z njihovim vplivom na tvorbo odrezkov.

Vpliv hladilnega sistema na oblikovanje odrezkov je precej nepredvidljiv in težko je zapisati ne‐ spremenljive odvisnosti med delovanjem hladilnega sistema in oblikovanjem odrezkov. Izjema je sistem HPDC (usmerjen dovod hladilno‐mazalne tekočine pod visokim tlakom), pri uporabi kate‐ rega so odrezki bistveno krajši. Takšen hladilni sistem ponuja orodni sistem Seco Jetstream.

O vplivu značilnosti orodja na oblikovanje odrezkov smo že govorili. Najpomembnejši dejavniki so cepilni kot (večji ko je cepilni kot, daljši so odrezki), nastavni kot (manjši nastavni kot daje daljše odrezke) in radij konice (odrezki so daljši pri večjem radiju konice), končno pa tudi geome‐ trija rezalnega roba in geometrija za lomljenje odrezkov. Vpliv vrste prevleke na oblikovanje od‐ rezkov ni jasno določljiv.

Kot najbolj praktičen način za vplivanje na obliko odrezkov se ponuja prilagajanje pogojev pri odrezavanju. Te lahko enostavno spreminjamo in tako neposredno vplivamo na odrezke.

Osnovni parameter, ki nam je na voljo, je koeficient debeline odrezka (vitkost odrezka). Če je koeficient debeline odrezka premajhen, dobimo t. i. kvadratne odrezke. Takim odrezkom se mo‐ ramo izogibati, saj preveč obremenjujejo konico orodja in tako resno zmanjšajo obstojnost orod‐ ja. Pri prevelikem koeficientu debeline odrezka pa dobimo zelo tanke odrezke v obliki trakov, ki jih je težko razbiti na manjše dele. _____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 40

Koeficient debeline odrezka je opredeljen kot količnik širine reza in debeline odrezka. Da koefi‐ cient ne bi bil premajhen, moramo izbrati dovolj veliko globino reza pri dani vrednosti podaja‐ nja. Majhna globina reza pri določeni vrednosti podajanja privede do nastanka kvadratnih od‐ rezkov. Koeficient debeline odrezka ne bo prevelik za dano globino reza, če je podajanje dovolj veliko. Premajhno podajanje bi v tem primeru povzročilo nastanek odrezkov v obliki trakov, ki jih ni mogoče razbiti.

Debelina reza je v večini primerov vnaprej določena, zato je podajanje ključno za dobro obliko‐ vanje odrezkov. Pri premajhnem podajanju dobimo dolge trakaste odrezke, preveliko podajanje pa privede do kvadratastih odrezkov, ki prav tako negativno vplivajo na obdelovalni proces.

Vpliv rezalne hitrosti na tvorbo odrezkov je kompleksnejši in podrobneje opisan v nadaljevanju tega poglavja.

Slika 5:7 Primer, kako orodni sistem Seco Jetstream vpliva na tvorbo odrezkov. Na levi so odrezki, nastali pri obdelavi s tradicionalnim orodjem, na desni pa odrezki pri uporabi orodja Seco Jetstream.

5.5 Splošen opis osnovnih vrst odrezkov Glede na presek odrezka ločimo štiri vrste odrezkov: ‐ nazobčeni ali lameličasti ali nezvezni odrezki, ‐ tekoči odrezki (z ozko in ravno primarno strižno cono) ali tekoči odrezki s sekundarno strižno cono na stiku orodja in odrezka, ‐ odrezki, ki se oblikujejo pri nalepku na orodju, ‐ lomljeni oz. kratki odrezki.

Vsi odrezki imajo dve površini. Zunanja površina je v stiku s cepilno ploskvijo orodja ter mora biti gladka in svetleča. Njen videz je posledica drgnjenja odrezka po cepilni ploskvi in ta del odrezka povzroča obrabo cepilne ploskve orodja. Odrezek ima tudi notranjo površino, ki nastane s preo‐ blikovanjem izvirne površine obdelovanca. Ta površina je zaradi delovanja strižnih sil nazobčana in groba.

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 41

Slika 5:8 Različne vrste osnovnih prerezov odrezkov

Nazobčani ali lameličasti odrezki (imenujemo jih tudi trgani odrezki) so delno tekoči odrezki z večjimi conami majhnih strižnih napetosti in manjšimi conami velikih strižnih napetosti (strig je lokaliziran). Tovrstne odrezke srečujemo pri obdelavi materialov z majhno toplotno prevodnos‐ tjo in veliko nagnjenostjo k deformacijskemu utrjevanju (to je zvišanje trdnosti zaradi delovanja napetosti v materialu, posebej skupaj s povišano temperaturo, npr. pri titanu). Odrezki so po‐ dobni zobom žage.

Tekoči odrezki se tvorijo pri obdelavi duktilnih materialov, kot so maloogljično jeklo, baker in aluminij. Zaradi plastičnih deformacij duktilnega materiala so dolgi in neprekinjeni. Z vidika ob‐ delovalnega procesa so takšne razmere zaželene, saj prinašajo dobro površinsko hrapavost, majhno porabo moči in daljšo obstojnost orodja. Pogoji v prid oblikovanju tekočih odrezkov so majhna debelina odrezka, velika rezalna hitrost, oster rezalni rob, velik cepilni kot rezalnega orodja, gladke ploskve na orodju in učinkovit sistem mazanja. Take odrezke pa je težko odstra‐ njevati, saj se lahko navijejo v zelo dolge spirale ali vijačnice, ovijejo obdelovanec in orodje ter poškodujejo upravljavca, ko se odlomijo. Stik s ploskvami orodja je daljši in zaradi trenja nastaja več toplote. Takim težavam se lahko izognemo z uporabo lomilcev odrezkov.

Material se preoblikuje v ozki strižni coni, ki jo imenujemo primarna strižna cona. Pri nekaterih tekočih odrezkih se na stiku orodja in odrezka lahko razvije še sekundarna strižna cona. Ta cona postaja s povečevanjem trenja vse debelejša. Tekoče odrezke lahko dobimo tudi pri široki pri‐ marni strižni coni z ukrivljenimi mejami. Spodnja meja deformacijske cone (učinek stranskega odvajanja odrezkov) se lahko spusti pod obdelano površino, posledica tega pa so napake na ob‐ delani površini in nezadovoljiva površinska hrapavost.

Nalepek nastane iz majhnih delcev obdelovanega materiala, ki se odložijo in nalepijo na rezalni rob, običajno pa se pojavlja pri mehkih in duktilnih materialih, ki tvorijo tekoče odrezke. Nalepek lahko vpliva na delovanje orodja. Material nalepka je zelo trd in krhek, naložen v več plasteh pa postane nestabilen. Ko se nalepek odlomi, del nalepka skupaj z odrezkom odnese po ploskvi orodja, del pa ostane vdelan v obdelani površini in vpliva na njeno hrapavost.

Pojav nalepka lahko omejimo npr. z zmanjšanjem rezalne hitrosti, povečanjem cepilnega kota, ostrejšim orodjem, s hladilno tekočino in z uporabo rezalnega materiala, ki ima manjšo kemično afiniteto do obdelovanega materiala.

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 42

Slika 5:9 Primeri nalepka in odrezkov pri različnih rezalnih hitrostih

Lomljeni ali kratki odrezki (tudi iztrgani odrezki) so sestavljeni iz nepovezanih segmentov. S ta‐ kimi odrezki se srečujemo pri odrezavanju krhkih materialov, kot so bron, trda medenina in siva litina. Odrezki so kratki tudi pri obdelavi zelo trdih materialov in materialov s trdimi vključki in nečistočami. Krhki materiali nimajo potrebne duktilnosti za večje plastične deformacije odrez‐ kov, stopnja preoblikovanja odrezkov pa je omejena zaradi nenehnega lomljenja. Nezvezni od‐ rezki se pri krhkih obdelovanih materialih tvorijo v pogojih, kot so velika debelina odrezkov, majhna rezalna hitrost in majhen cepilni kot. Če obdelovalni stroj ni dovolj stabilen, lahko kratki odrezki v nezveznem procesu nastajanja privedejo do mikrovibracij. Prednost tovrstnih odrezkov je v enostavnem rokovanju oz. odstranjevanju. Kratki odrezki pri krhkih materialih so povezani z dobro površinsko hrapavostjo, majhno porabo energije in sprejemljivo obstojnostjo orodja. Pri duktilnih materialih je površinska hrapavost slaba in obraba orodja je prevelika.

Slika 5:10 Primeri odrezkov različnih oblik pri različnih obdelovanih materialih

5.6 Geometrije lomilcev odrezkov Dolgi in tekoči odrezki običajno škodujejo učinkovitosti obdelave. Lahko povzročijo škodo na re‐ zalnem orodju, obdelovancu in obdelovalnem stroju ter nepotrebne prekinitve proizvodnje za‐ radi težav pri odstranjevanju, končno pa lahko ogrožajo tudi upravljavca obdelovalnega stroja. _____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 43

Tak odrezek je treba razbiti na manjše dele za enostavno odstranjevanje, varnost ljudi ter obva‐ rovanje obdelovalnega stroja in obdelovancev pred škodo.

Oblikovani odrezki se upogibajo (navijajo), na ukrivljenost pa vplivajo dejavniki kot so: porazdeli‐ tev napetosti v primarni in sekundarni strižni coni, toplotni vplivi, toplotno utrjevanje obdelova‐ nega materiala, geometrija rezalnega orodja in v določeni meri tudi hladilni sistem. Na splošno velja, da so navoji tesnejši, če je cepilni kot manjši (pri negativni geometriji orodja). Odrezki se lomijo in so krajši. Funkcija lomilca odrezkov je zmanjšanje polmera odrezkov in posledično lom‐ ljenje na krajše kose.

Slika 5:11 Osnovno načelo delovanja geometrije za lomljenje odrezkov

Geometrijo lomilcev odrezkov izbiramo glede na vrsto operacije, kombinacijo podajanja in glo‐ bine reza ter material obdelovanca.

Slika 5:12 Primer oblikovanja odrezkov (prikazana je geometrija Seco MF2). Levo je operacija z vrednostjo podajanja f = 0,1 mm/vrt., desno pa z vrednostjo podajanja f = 0,3 mm/vrt.

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 44

Slika 5:13 Različne geometrije lomilcev odrezkov

Odvisnost med obdelovanim materialom, rezalnimi parametri, geometrijo lomilca odrezkov in vrsto odrezkov lahko prikažemo v obliki diagrama lomljenja odrezkov. Ta nam pomaga pri izbiri globine reza in podajanja za dani obdelovani material in lomilno geometrijo. Na vodoravni osi je podajanje. Vrednost podajanja mora biti vedno večja od določene minimalne vrednosti (širine geometrije hrbta rezalnega roba) ter mora ostati manjša od določene maksimalne vrednosti (da bi ostali na varni strani, naj največje podajanje nikoli ne preseže polovice radija konice). Na nav‐ pični osi je globina reza, ki mora biti za dobro oblikovanje odrezkov vedno večja od radija konice (sicer lahko nastopijo težave s kvadratnimi odrezki). Globina reza tudi ne sme biti večja od dolži‐ ne rezalnega roba. Priporočljiva je uporaba varnostnega faktorja, ki je odvisen od trdnosti rezal‐ nega roba. Varnostni faktor pri ploščicah je nekje med 75 % (pri kvadratnih ali rombastih plošči‐ cah) in 20 % (pri ploščicah za kopiranje z majhnim kotom konice) dolžine rezalnega roba.

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 45

Slika 5:14 Diagram lomljenja odrezkov je grafična metoda, ki prikazuje omejitve podajanja in globine reza zaradi geometrije ploščice, oblike odrezkov in rezalnih sil.

Tako globino reza kot podajanje, ki skupaj tvorita koeficient debeline odrezka, moramo izbirati med določenimi mejnimi vrednostmi. Največji koeficient debeline odrezka mora biti manjši od maksimalne vrednosti, da se izognemo dolgim trakastim odrezkom. Koeficient mora biti tudi večji od minimalne vrednosti, da ne dobimo kvadratnih odrezkov. Omejitvi sta prikazani v dia‐ gramu s poševnima premicama. Najmanjša in največja vrednost koeficienta debeline odrezka sta odvisni od materiala obdelovanca. Rezalne sile ne smejo biti prevelike, sicer se bo rezalni rob prepogosto lomil. Ta omejitev je v diagramu prikazana kot krivulja.

Pri kombinacijah podajanja in globine reza iz modro osenčenega območja na Sliki 5:14 lahko pri‐ čakujemo odrezke prave oblike. Če bomo izbrali kombinacijo zunaj modrega območja, rezalni rob in lomilec odrezkov ne bosta delovala tako dobro – odrezki bodo predolgi ali kvadratni, ne‐ sprejemljivo pa bo tudi lomljenje rezalnega roba.

Slika 5:15 Vpliv rezalne hitrosti na oblikovanje odrezkov

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 46

Slika 5:15 ponazarja vpliv rezalne hitrosti na oblikovanje odrezkov. Na vodoravni osi je podajanje,

na navpični osi pa vrsta odrezkov. Na splošno velja, da lahko pri večjem podajanju pričakujemo krajše odrezke. Odvisnost med podajanjem in obliko odrezkov je bolj izražena pri majhnih rezal‐ nih hitrostih, z naraščanjem rezalne hitrosti pa slabi.

Slika 5:16 Diagram lomljenja odrezkov prikazuje različne geometrije lomilcev odrezkov in pripadajoča področja upo‐ rabe. Na vodoravni osi je relativna trdnost rezalnega roba, na navpični osi pa so tipi operacij z dano geometrijo (F označuje fino obdelavo, R pa grobo obdelavo). Različne barve označujejo skupine obdelovanih materialov, za ka‐ tere je neka geometrija najbolj primerna (uporabljene so barve skupin materialov po sistemu ISO).

Diagram lomljenja odrezkov je grafično sredstvo za prikaz različnih vrst geometrij lomilcev od‐ rezkov in pripadajočih področij uporabe. Primer diagrama je podan na Sliki 5:16. Geometrije lomilcev odrezkov (FF1, FF2, MF1 … RR97) so razvrščene glede na relativ‐ no trdnost rezalnega roba in področje uporabe. Na vodoravni osi je relativna trdnost rezalnega roba pri dani geometriji. Položaj na vodoravni osi do določene mere opredeljuje tudi podajanje, ki ga lahko uporabimo z dano geometrijo. Na navpični osi so vrste delovnih nalog od fine obde‐ lave (z majhno globino reza) do grobe obdelave (z veliko globino reza). Položaj na navpični osi opredeljuje relativno globino reza, ki je primerna za dano geometrijo, dejanska globina reza pa je seveda odvisna od velikosti ploščice (dolžine rezalnega roba). Različne barve predstavljajo skupine materialov, ki jih lahko obdelujemo z izbrano geometrijo. Barve za različne skupine ma‐ terialov so povzete po sistemu ISO (modra za jekla, rdeča za železovo litino, rumena za nerjavna jekla, oranžna za superzlitine in siva za trda jekla).

Geometrija spodaj levo v diagramu je zelo ostra geometrija, ki ustvarja kratke odrezke, obenem pa ne zagotavlja visoke trdnosti rezalnega roba. Za to geometrijo moramo zato izbrati manjše rezalne parametre (globino reza in podajanje). Nasprotno imajo geometrije zgoraj desno v dia‐ gramu močan rezalni rob in jih lahko uporabljamo z večjimi rezalnimi parametri. Pri delu s temi geometrijami lahko pričakujemo dolge odrezke.

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 47

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 48

Modeli rezalnih sil Analiza mehanskih obremenitev rezalnega roba vključuje velikost, značilnosti in porazdelitev re‐ zalnih sil med procesom odrezavanja, pa tudi odvisnost med rezalnimi silami in obdelovanim ma‐ terialom, geometrijo rezalnega orodja in drugimi dejavniki. Mehanske obremenitve tudi pred‐ stavljajo omejitveni dejavnik pri procesu odrezavanja in tako vplivajo na rezultate procesa. Pri vsaki delovni nalogi obstaja optimalna kombinacija oz. ravnovesje med obdelovanim materia‐ lom, geometrijo orodja in rezalnimi parametri, ki je med drugim odvisno od velikosti in narave mehanskih obremenitev.

6.1 Uvod Večina modelov procesa odrezavanja in pričakovanih rezultatov vključuje mehanske obremeni‐ tve. Te obremenitve delujejo na rezalni rob, povzročajo reaktivne sile v obdelovanem materialu in s tem vplivajo na dimenzije in lastnosti površine obdelovanca (topografija površine, struktura in napetosti).

Rezalne sile so lahko statične ali dinamične. Statične rezalne sile pravzaprav predstavljajo pov‐ prečno vrednost rezalnih sil v času, dinamika oz. spreminjanje rezalnih sil pri konstantnih rezal‐ nih parametrih pa je posledica spremenljivosti upora pri odrezavanju, npr. zaradi nehomogene mikrostrukture obdelovanega materiala. Pri postopkih, kot je frezanje, kjer je debelina odrezkov spremenljiva že zaradi same narave procesa, lahko govorimo o »trenutnih rezalnih silah«, ki za‐ vzamejo določeno vrednost pri danem položaju rezalnega roba in obdelovanca. Povprečne re‐ zalne sile v takih razmerah računamo glede na spremenljivo debelino odrezkov in upor pri odrezavanju.

6.2 Merjenje rezalnih sil

Slika 6:1 Rezalne sile

Merjenje in modeliranje rezalnih sil je v veliko pomoč pri razvoju sistemov za obdelavo kovin z odrezavanjem. V tem poglavju si bomo ogledali model mehanskih obremenitev pri stacionar‐ nem odrezavanju v treh dimenzijah. Model vključuje sile, ki delujejo na rezalno orodje pri različ‐ nih pogojih, in je lahko uporaben npr. pri naslednjih nalogah: _____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 49

‐ ‐ ‐

modeliranje in računanje napetosti, ki jim je izpostavljen rezalni rob, modeliranje deformacij obdelovanca, konstruiranje rezalnih orodij in vpenjal za obdelovance.

Osnova za model je merjenje rezalnih sil, pri čemer lahko njihovo spremenljivost v času upošte‐ vamo ali ne. Rezalne sile opišemo s tremi ortogonalnimi komponentami Fc, Ff in Fp. Material

Potek rezalne sile v tangencialni smeri

Morfologija odrezka

Skupina P DIN St 52‐3 vc = 200 m/min f = 0,4 mm/vrt ap = 2 mm

Skupina P AISI 1045 vc = 150 m/min f = 0,4 mm/vrt ap = 2 mm

Skupina K DIN GG25 vc = 200 m/min f = 0,4 mm/vrt ap = 2 mm

Skupina K DIN GGG50 vc = 200 m/min f = 0,4 mm/vrt ap = 2 mm

Slika 6:2 Primeri odvisnosti med dinamično rezalno silo v tangencialni smeri Fc in morfologijo nastalih odrezkov za skupini materialov P (ogljikovo jeklo) in K (siva in nodularna litina) po ISO 513, Univerza v Lundu, 2016

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 50

Material

Potek glavne rezalne sile

Morfologija odrezka

Skupina M AISI 316 vc = 200 m/min f = 0,4 mm/vrt ap = 2 mm

Skupina M SAF 2205 vc = 200 m/min f = 0,4 mm/vrt ap = 2 mm

Skupina S Zlitina 718 vc = 50 m/min f = 0,3 mm/vrt ap = 2 mm

Skupina S Ti6Al4V vc = 70 m/min f = 0,4 mm/vrt ap = 2 mm

Slika 6:3 Primeri odvisnosti med dinamično rezalno silo v tangencialni smeri Fc in morfologijo odrezkov pri skupinah materialov M (avstenitna in dupleks nerjavna jekla) in S (titan kvalitete 5) po ISO 513, Univerza v Lundu, 2016

Dejanske sile pri rezanju izhajajo iz njihove fizikalne narave. V nadaljevanju je privzeta predpo‐ stavka, da so rezalne sile statične, torej da se pogoji med odrezavanjem in rezalno orodje ne spreminjajo, rezalne sile pa so konstantne in niso funkcija časa. Rezalne sile so v resnici vedno dinamične zaradi nezvezne narave procesa oblikovanja odrezkov. Kot je razvidno iz Slik 6:2, 6:3 in 6:4, se rezalne sile spreminjajo v času zaradi segmentacije odrezkov in so torej dinamične. Še posebej pri krhkih in zelo trdih obdelovanih materialih se zato lahko pojavijo mikrovibracije in krušenje rezalnega roba na mikroravni. Kjer to predstavlja težavo, poleg t. i. povprečne rezalne _____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 51

sile (statične komponente) uvedemo še faktor variabilnosti rezalne sile, ki določa velikost dina‐ mične komponente rezalne sile.

Material

Potek glavne rezalne sile

Morfologija odrezka

Skupina N CuZn39Pb3 vc = 150 m/min f = 0,4 mm/vrt ap = 2 mm

Skupina N CuZn17Si3 vc = 150 m/min f = 0,4 mm/rev ap = 2 mm

Slika 6:4 Primera odvisnosti med dinamično rezalno silo v tangencialni smeri Fc in morfologijo nastalih odrezkov za skupino materialov N (medenine s svincem, medenine brez svinca) po ISO 513, Univerza v Lundu, 2016

Izmerjene rezalne sile lahko uporabimo za določanje odstopanj od želene oblike obdelovancev, zlasti če so obdelovanci manj stabilni. Velikost rezalnih sil je tudi kritični dejavnik pri snovanju rezalnega orodja in držala, celotne priprave obdelovalnega postopka in vpenjal za obdelovance, ter pri določanju potrebne moči in stabilnosti stroja. Že sam obstoj rezalnih sil lahko med obde‐ lavo povzroči vibracije.

Velikost rezalnih sil je predvsem funkcija prereza odrezkov (tj. podajanja in globine reza) ter lastnosti obdelovanega materiala. Nanjo lahko v manjši meri vplivajo tudi drugi dejavniki, kot so cepilni kot, nagibni kot, rezalna hitrost, obraba rezalnega roba, temperatura v procesu, material rezalnega orodja in hladilno sredstvo.

6.3 Izkustvene povezave med pogoji pri odrezavanju in rezalnimi silami Če izmerimo sile pri odrezavanju določenega materiala v različnih pogojih in z različnimi rezal‐ nimi orodji, lahko ugotovimo različne vplive in odvisnosti (Slika 6:5).

Meritve rezalnih sil pri različnih rezalnih hitrostih pokažejo, da se pri velikih rezalnih hitrostih rezalne sile s povečevanjem rezalne hitrosti nekoliko zmanjšajo. Pri manjših rezalnih hitrostih beležimo močno odvisnost med rezalnimi silami in rezalno hitrostjo. Če začnemo obdelavo z zelo majhno rezalno hitrostjo in jo nato postopno povečujemo, se povečujejo tudi rezalne sile. Pri še večjih rezalnih hitrostih se rezalne sile nato začnejo spet zmanjševati. Močno odvisnost med re‐ zalnimi silami in rezalnimi hitrostmi v območju majhnih hitrosti pojasnjujemo z nalepkom (Salo‐ mon, 1931, nemški patent št. 523594). Nalepek je zelo škodljiv za proces odrezavanja in ena od njegovih posledic so tudi umetno velike rezalne sile v tem območju. Nalepku se zato skušamo izogibati in ob izbiri ustrezne rezalne hitrosti ne bo opaznejšega vpliva rezalne hitrosti na rezalne _____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 52

sile. Rahlo zmanjšanje sil se pojavi zaradi zmehčanja obdelovanega materiala pri visokih tempe‐ raturah. Vpliv nalepka na sile pri rezanju opisuje Salomonov model.

Meritve rezalnih sil pri različnih globinah reza pokažejo linearno sorazmerje med globino reza in rezalnimi silami. Večja ko je globina reza, večje so rezalne sile. Vsaka sprememba globine reza prinese linearno sorazmerno spremembo komponent sil.

Ostanejo nam še meritve rezalnih sil pri različnih podajanjih. Večje ko je podajanje, večje so re‐ zalne sile, odvisnost pa je nelinearna. Ob povečanju podajanja se povečajo tudi rezalne sile, vendar v manjši meri, kot če bi povečali globino reza. Če dodatno povečamo že tako veliko poda‐ janje, bo dodatno povečanje sil relativno manjše.

Pri nalogah, ki zahtevajo majhne sile in visoko stopnjo odvzema materiala (SOM), se kot rešitev ponuja kombinacija večjega podajanja ter manjše ali srednje globine reza. S tako kombinacijo dosežemo večjo vrednost SOM pri manjših rezalnih silah.

Vse omenjene meritve so bile opravljene z istim rezalnim orodjem, rezalni rob pa ni bil obrab‐ ljen. Če spremenimo rezalno orodje in upoštevamo obrabo rezalnega roba, lahko ugotovimo tu‐ di nekatere druge odvisnosti.

Slika 6:5 Izmerjeni vpliv rezalne hitrosti, globine reza in podajanja na rezalne sile

Ko se poveča cepilni kot rezalnega orodja, se rezalne sile zmanjšajo. Odrezavanje z ostrejšimi orodji poteka bolj gladko, kar se odraža tudi v rezalnih silah. Odvisnost med cepilnim kotom in rezalnimi silami je linearna.

S povečanjem nastavnega kota se zmanjšata glavna rezalna sila in pasivna sila, poveča pa se po‐ dajalna sila. Ob spremembi nastavnega kota pri nespremenjeni globini reza in podajanju se spremenita širina reza in debelina odrezka, s tem pa tudi sile pri rezanju.

Ostane še ugotovitev, da se rezalne sile povečujejo z obrabo rezalnega orodja. Večja ko je obra‐ ba rezalnega roba, večji je pritisk med rezalnim robom, odrezkom in obdelovancem, posledično pa so večje tudi rezalne sile. _____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 53

Slika 6:6 Izmerjeni vpliv nastavnega kota, cepilnega kota in obrabe na rezalne sile

6.4 Empirično modeliranje sil pri rezanju Na podlagi meritev rezalnih sil je bilo razvitih mnogo empiričnih modelov, ki jih delimo glede na glavni pristop z linearno ali eksponencialno aproksimacijo.

Večina linearnih pristopov temelji na konceptu upora proti odrezavanju. Upor proti odrezavanju je sila upora po celotnem preseku odrezka, ki ga izkazuje obdelovani material pri dani aplikaciji z izbranim rezalnim orodjem in rezalnimi parametri. Odvisen je od geometrije rezalnega orodja in od njenih sprememb v dobi obstojnosti orodja. To je pristop, ki ga je uporabilo več raziskoval‐ cev, med drugim Schlesinger (1931), Pohl (1934), Klein (1938), Richter (1954), Hucks (1956), Thomson (1962) in Altintas (1998).

Osnova za eksponencialno aproksimacijo je koncept »specifične rezalne sile«, ki ga je uvedel Kienzle in se danes pogosto uporablja. Osnovna definicija specifične rezalne sile je enaka kot pri uporu proti odrezavanju. Specifično rezalno silo pogosto opisujemo z eksponencialno krivuljo, ki se prilega izmerjenim podatkom. Fizikalna interpretacija specifične rezalne sile je težavna. Mo‐ del so podrobno preučevali Taylor (1883/1902), Fischer (1897), Friedrich (1909), Hippler (1923), Salomon (1924), Kronenberg (1927), Klopstock (1932) in Kienzle (1952).

Primerjava obeh pristopov je podana v učbenikih Metal Cutting, Theories and Models1 in Metal Cutting, Theories in Practice2.

Glavni cilj tega učbenika je predstavitev praktičnega pristopa k odrezavanju kovin. Eksponenci‐ alni pristop (imenujemo ga tudi Kienzlejev model) je dandanes najbolj razširjen v praksi in daje zadovoljive rezultate za analizo, zato smo ga tudi uporabili v nadaljevanju za kvalitativno in kvantitativno obravnavo rezalnih sil.

1

Metal Cutting, Theories and Models (Obdelava kovin z odrezavanjem, teorije in modeli), prof. Ståhl; objavljeno l. 2012 v sodelovanju s podje‐ tjem Seco.

2 Metal Cutting, Theories in Practice (Obdelava kovin z odrezavanjem, teorije v praksi), Patrick De Vos in prof. Ståhl; objavljeno l. 2014.

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 54

6.5 Eksponencialni model za analizo sil pri rezanju (Kienzlejev model) Empirični model, ki je bil oblikovan na podlagi meritev rezalnih sil in se danes najpogosteje upo‐ rablja za izračune v zvezi z rezalnimi silami, se imenuje Kienzlejev model. Model izhaja iz nasled‐ njih ugotovitev: ‐ Rezalna hitrost (pravilno izbrana, tako da ni nalepka) nima opaznejšega vpliva na rezalne sile. ‐ Vpliv globine reza je linearen. Večja ko je globina reza, večje so rezalne sile. ‐ Vpliv podajanja je eksponencialen. Večje podajanje je povezano z večjimi rezalnimi sila‐ mi, odvisnost pa ni linearna. ‐ Vpliv materiala obdelovanca je v modelu zajet s t. i. specifično rezalno silo kc11. To je re‐ zalna sila, ki bi jo izmerili s standardiziranim rezalnim orodjem pri velikosti globine reza in podajanja 1 mm.

Slika 6:7 prikazuje diagram omenjenih odvisnosti in Kienzlejevo formulo. Spremenljivki v formuli sta širina reza in debelina odrezka.

Spreminjanje globine reza Spreminjanje podajanja

Fc = kc11 • b • h 1‐mc (Fc = kc • b • h) kc11 = specifična rezalna sila b = širina odrezka h = debelina odrezka (h1) Spreminjanje globine reza ali podajanja

Slika 6:7 Kienzlejev model rezalnih sil (graf prikazuje značilen primer)

Model omogoča računanje rezalnih sil in drugih parametrov, ki so povezani z njimi (moči, navori, tveganje vibracij …), kot tak pa je praktičen pripomoček za kvantitativno reševanje praktičnih vprašanj.

Primeren je tudi za kvalitativne analize procesov odrezavanja kovin. Oglejmo si primer energij‐ sko učinkovite obdelave: energija je sposobnost opravljanja dela, delo pa je premikanje objekta ob delovanju nasprotujočih sil, kot je npr. težnost (enota za energijo je Nm oz. J). Pri odrezava‐ nju kovin imamo opravka tako z gibanjem orodja v obdelovancu kot z rezalnimi silami, torej po‐ rabljamo energijo in z njenim vložkom dosegamo določeno stopnjo odvzema materiala (SOM).

To je količina materiala, ki ga odstranimo z obdelovanca v časovni enoti. Definicija energijsko učinkovite (zelene) obdelave je proizvodnja izdelkov (ob določeni stopnji odvzema materiala) z minimalno porabo energije, zato jo lahko opredelimo tudi kot odstranitev določene količine ma‐ teriala z obdelovanca v danem času z minimalnimi rezalnimi silami. Kienzlejev model nam ponu‐ ja dva pristopa. Prvič lahko določeno stopnjo odvzema materiala (SOM) dosežemo s kombinacijo _____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 55

večje globine reza in manjšega podajanja, drugič pa lahko enako vrednost SOM zagotovimo z manjšo globino reza in večjim podajanjem. Analiza rezalnih sil za oba primera vodi k ugotovitvi, da se manj energije porabi pri obdelavi z večjim podajanjem. Energijsko učinkovita obdelava v praksi torej pomeni odrezavanje z velikim podajanjem. To načelo prikazuje Slika 6:8. Na vodo‐ ravni osi je stopnja odvzema materiala: levo so operacije z večjo globino reza, desno pa operaci‐ je z večjim podajanjem. Na navpični osi je relativna energija, ki je potrebna za enoto SOM.

Slika 6:8 Relativna energija, ki jo porabimo za enoto SOM

Osnovni Kienzlejev model in formula opisujeta odvisnost med materialom obdelovanca, širino reza in debelina odrezka. V praksi pa imamo opravka z rezalnima parametroma globino reza in podajanjem. Odvisnost med širino in globino reza na eni strani ter med podajanjem in globino odrezka na drugi strani prikazuje Slika 6:9. Kot je razvidno iz slike, je vezni člen med temi para‐ metri nastavni kot.

sin ∙ sin Slika 6:9 Povezava med debelino odrezka in podajanjem ter med globino in širino reza

Na Sliki 6:10 je prikazan eksponencialni pristop oziroma Kienzlejev model za tri sile pri rezanju: glavno rezalno silo, podajalno silo in odrivno oz. pasivno silo. Formule so sestavljene iz nasled‐ njih členov: ‐ ‐ ‐ ‐ ‐

kc11 je specifična rezalna sila (N/mm2), kf11 je specifična podajalna sila (N/mm2), kp11 je specifična pasivna oz. odrivna sila (N/mm2), mc, mf in mp so faktorji, ki opisujejo značilne eksponencialne odvisnosti med podajanjem in silami,  je nastavni kot.

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 56

Slika 6:10 Splošne Kienzlejeve formule za rezalne sile

Zgornje osnovne formule zahtevajo še nekaj popravkov, s katerimi zaobjamemo tudi druge de‐ javnike, ki vplivajo na rezalne sile. ‐ ‐ ‐ ‐

Pri povečanju cepilnega kota za 1° se glavna rezalna sila zmanjša za pribl. 1,5 %, podajal‐ na sila za pribl. 5 % in pasivna oz. odrivna sila za pribl. 4 %.

Pri povečanju nagibnega kota za 1° se glavna rezalna sila zmanjša za pribl. 1,5 %, poda‐ jalna sila za pribl. 1,5 % in pasivna oz. odrivna sila za pribl. 10 %.

Mikrogeometrija rezalnega roba pomembno vpliva na rezalne sile. Pri majhnem podaja‐ nju odrezek oblikuje samo mikrogeometrija in rezalne sile so večje.

Povečanje obrabe proste ploskve za 0,1 mm prinaša 10 % povečanje glavne rezalne sile, 25 % povečanje podajalne sile in 30 % povečanje pasivne sile.

Pomemben element analize poleg velikosti je tudi smer, v kateri rezalne sile delujejo na orodje.

Na splošno lahko privzamemo, da je vsota vseh sil bolj ali manj pravokotna na rezalni rob. To pravilo je zelo priročno pri iskanju hitrih in učinkovitih ukrepov proti vibracijam.

Slika 6:11 Smer, v kateri rezalne sile delujejo na orodje oz. na obdelovanec, je pomembna npr. pri analizi vibracij.

Pri nastavnem kotu 90° bi podajanje, debelina odrezka, globina reza in širina reza vsi zavzeli enake vrednosti. V tem primeru, ki je zelo značilen za splošno struženje, lahko uporabimo poe‐ nostavljeno formulo, Slika 6:12.

∙

∙

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 57

∙

∙ 60000

∙

Slika 6:12 Poenostavljen Kienzlejev model in formula za rezalne sile in moč pri struženju

Obdelovani material (DIN) St 42 St 50 St 60 C 45 ‐ CK 45 C 60 – CK 60 18 Cr Ni 6 16 Mn Cr 5 St 70 34 Cr Mo 4 42 Cr Mo 4 50 Cr v 4 Ni – nerjavno jeklo G S 45 G S 52 G G 14 G G 26 G T W G TS Lita medenina Rdeča litina Medenina Al. litina

kc11 N/mm2 1780 1190 2110 2190 2120 2260 2090 2270 2230 2490 2210 2570 1600 1780 950 1150 1200 1780 680 780 630

mc 0,167 0,253 0,155 0,139 0,173 0,298 0,267 0,293 0,215 0,257 0,264 0,169 0,168 0,167 0,199 0,264 0,208 0,167 0,257 0,176 0,257

Slika 6:13 Primeri Kienzlejevih faktorjev

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 58

6.6 Rezalne sile pri frezanju

Slika 6:14 Trenutne rezalne sile pri frezanju

Analiza rezalnih sil pri frezanju zahteva nekaj dodatnega premisleka. V prejšnjih poglavjih smo analizirali sile pri struženju, ki predstavlja aplikacijo z enorezilnim orodjem, nespremenljivim po‐ ložajem rezalnega roba glede na obdelovanec ter nespremenljivo širino reza in debelino odrez‐ ka. Pri frezanju imamo opravka z večrezilnim orodjem (frezalo ima več zob). Položaj rezalnega roba glede na obdelovanec se med vrtenjem frezala stalno spreminja, končno pa se stalno spreminja tudi debelina odrezkov.

Slika 6:14 prikazuje rezalne sile, ki delujejo na en rezalni rob frezala v izbranem trenutku: rezal‐ no silo Fc, podajalno silo Ff in rezultanto Fr. Na Sliki 6:15 je predstavljen trenutek med frezanjem, ko sta v prijemu dva zoba. Vse rezalne sile so prestavljene v središče frezala. Slika 6:16 prikazuje rezultat tovrstne analize oziroma časovni potek celotne sile, ki deluje na frezalo. S tako analizo bolje razumemo vibracije, ki so možne med procesom obdelave.

Y

Ff

T1 T3

α

Fr Fc

X

Ff : podajalna sila Fc

T2 Ff

Fc : rezalna sila Fr : rezultanta (2 dim)

Fr

Slika 6:15 Rezalne sile pri frezanju. Frezanje je obdelovalni postopek, kjer v vsakem trenutku reže več zob in delovni pogoji se nenehno spreminjajo. Prikazane so rezalne sile v trenutku, ko sta v prijemu dva zoba.

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 59

Slika 6:16 Dinamika rezalnih sil pri frezanju. Prikazan je primer celotne rezalne sile (rezalna in podajalna sila) na navpični osi za frezalo s 7 zobmi. Zobje frezala v celoti prijemajo v obdelovanec (npr. pri frezanju utorov). Na vodo‐ ravni osi je položaj referenčnega rezalnega roba glede na obdelovanec.

6.7 Vibracije pri odrezavanju kovin Vibracije so mehanski pojav, pri katerem objekt niha okrog točke ravnovesja. Nihanja so lahko periodična, kot je gibanje nihala, ali pa naključna, kot je gibanje pnevmatike med vožnjo po ma‐ kadamski cesti.

Vibracije so včasih zaželene, na primer zvok pri mobilnem telefonu (zvok je nihanje zraka). Pogo‐ steje pa so vibracije nezaželene, saj zapravljajo energijo ter povzročajo deformacije in hrup. To velja tudi za vibracije pri motorjih z notranjim zgorevanjem, elektromotorjih in vseh drugih me‐ hanskih napravah. Vibracije so lahko posledica neuravnoteženosti vrtečih se delov, neenako‐ mernega trenja, ubiranja zob itd. Neželene vibracije običajno lahko zmanjšamo na najmanjšo možno mero s skrbno izbrano konstrukcijo.

Slika 6:17 Vibriranje rezalnega orodja

Obdelovalni stroji, obdelovanci in orodja niso neskončno togi in rezalne sile lahko privedejo do pojava vibracij. Dinamične lastnosti stroja, obdelovanca in rezalnega orodja lahko omejujejo zmogljivost odrezavanja. Nezadostna togost in neustrezno dušenje vibracij lahko povzročita težave z drdranjem oz. s samovzbujenimi vibracijami. Z osnovnim znanjem o teh pojavih lahko te pojave napovemo in izboljšamo zmogljivost odrezavanja.

Slika 6:18 Lastno nihanje

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 60

Lastno nihanje se pojavi, kadar mehanski sistem spravimo iz ravnovesne lege in ga nato pustimo, da prosto zaniha. Primer takšnega nihanja lahko opazujemo, ko enkrat potisnemo otroka na gu‐ galnici. Mehanski sistem niha z eno ali več lastnimi frekvencami in zaradi dušenja sčasoma obmi‐ ruje.

Vsiljeno nihanje nastane, kadar mehanski sistem vzbujamo s časovno spremenljivo motnjo (obremenitev, odmik ali hitrost). Motnja je lahko periodična, stacionarna ali naključna. Primer takšnega nihanja je ropotanje pralnega stroja zaradi neuravnoteženosti bobna ali zibanje stavbe v potresu.

Slika 6:19 Vsiljeno nihanje (f = frekvenca in A = amplituda)

Frekvenčni odziv na vsiljeno nihanje je ena najpomembnejših lastnosti sistema. Če je frekvenca vsiljenega nihanja zelo blizu lastne frekvence slabo dušenega sistema, lahko amplituda vibracij postane izjemno velika. Ta pojav imenujemo resonanca in lastno frekvenco sistema imenujemo tudi resonančna frekvenca. Kadar poganjamo otroka na gugalnici, ga lahko s potiski v ravno pra‐ vem trenutku spravimo vedno višje. Kot pri gugalnici za veliko amplitudo nihanja sploh ni po‐ trebna velika sila vzbujanja, pomembno je le, da v sistem redno dovajamo novo energijo. Pri sistemih z rotorjem vsako vrtilno hitrost, ki vzbudi resonančno frekvenco, imenujemo kritična hitrost.

Pojav resonance v mehanskih sistemih je zelo škodljiv in lahko privede do odpovedi sistema. Ena glavnih nalog pri analizi vibracij je zato predvidevanje resonanc in določanje ukrepov za njihovo preprečitev. Velikost nihanj lahko zelo zmanjšamo z dušenjem ali tako, da lastno frekvenco od‐ maknemo od frekvence vsiljenega nihanja s spremembo togosti ali mase sistema. Če v sistem ni mogoče posegati, je včasih mogoče spremeniti frekvenco vsiljenega nihanja (na primer s spre‐ membo hitrosti stroja, ki ustvarja motnje).

Slika 6:20 Resonančno nihanje

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 61

Slika 6:21 Vibracije pri odrezavanju kovin so posledica nezadostne trdnosti orodja in rezalnih sil.

Rezalno orodje je med delom podvrženo delovanju rezalnih sil, ki ga deformirajo in upogibajo, to pa lahko privede do vibracij. Kot smo že omenili, so dejanske rezalne sile dinamične in v pravih pogojih lahko nastopijo razmere za resonančno nihanje. Tveganje za to je večje pri rezalnih orodjih, ki so preveč vitka, če so rezalne sile prevelike, če material orodja ali obdelovanca slabo duši nihanja, ali če izberemo neustrezen postopek odrezavanja oz. geometrijo orodja.

Slika 6:22 Dinamične rezalne sile lahko v pravih razmerah povzročijo resonančna nihanja.

Na Sliki 6:22 je prikazan premer jeklenega orodnega držala (premer 100 mm in prosta dolžina 500 mm). Pri statični rezalni sili 500 N bi se držalo odklonilo za 25 µm, če pa rezalna sila sinusno niha s frekvenco 142 Hz, je amplituda odklona kar dvajsetkrat večja kot v statičnem primeru in nastopi resonanca.

Resonančno nihanje se lahko pojavi, če je frekvenca rezalne sile, ki deluje na rezalni rob, enaka lastni (resonančni) frekvenci rezalnega orodja. To se lahko zgodi npr. zaradi spreminjajočih se delovnih pogojev (pri frezanju) ali zaradi močno prekinjenega lomljenja odrezkov. Resonanco lahko povzročijo celo nepravilnosti v strukturi materiala (Slika 6:23). Prvi korak na Sliki 6:23 po‐ nazarja situacijo, kjer se zaradi nepravilnosti pojavi dinamična komponenta rezalne sile. V dru‐ gem koraku se zaradi nepravilnosti v materialu obdelovanca spremeni debelina odrezka, s tem pa nastopijo trajne dinamične rezalne sile. Če je njihova frekvenca dovolj blizu lastne frekvence orodja, obstaja nevarnost resonance.

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 62

Slika 6:23 Nepravilnosti v strukturi materiala lahko povzročijo vibracije (Vieregge).

Pri analizi vibracij in tveganja za nastanek vibracij med obdelavo moramo upoštevati tudi stabil‐ nost obdelovalnega stroja. Noben obdelovalni stroj ni neskončno stabilen in stabilnost se na splošno zmanjšuje s povečevanjem vrtilne hitrosti vretena stroja (Slika 6:24). Večje ko je število vrtljajev vretena obdelovalnega stroja, večje je tveganje vibracij. Pri nekaterih vrtilnih hitrostih pa se stabilnost dejansko poveča. Po naključju se lahko zgodi, da izbrani vrtljaji rezalnega orodja padejo ravno v območje manjše stabilnosti, nastopijo vibracije in je treba zmanjšati rezalne pa‐ rametre. Izbrano število vrtljajev pa je lahko tudi v območju dobre stabilnosti in tedaj lahko de‐ lamo z visokimi rezalnimi parametri. Izbira pravega števila vrtljajev za dano operacijo, ki prepre‐ čuje nastanek vibracij, je torej zelo pomemben korak v postopku določanja rezalnih parametrov.

Slika 6:24 Krivulja stabilnosti (po Tlustyju in Tobiasu) za obdelovalni stroj

Na Sliki 6:25 je prikazan model iz splošne mehanike za določanje upogiba enostransko vpetega cilindričnega nosilca (npr. držalo za notranje struženje, frezalo, sveder …). Na splošno in nekoliko poenostavljeno lahko ugotovimo, da se s povečevanjem upogiba ali odklona povečuje tudi tve‐ ganje škodljivih vibracij, celo resonance. V tem poenostavljenem modelu velja, da tveganje vi‐ bracij zmanjšujemo z zmanjšanjem upogiba ali odklona orodja. To lahko naredimo na več načinov: _____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 63

‐ ‐

‐

Z zmanjšanjem rezalnih sil ali s spremembo smeri delovanja rezalnih sil na sistem.

Z močnejšim orodjem, ki je bolj obstojno proti upogibu. Iz formule na Sliki 6:25 sledi, da se odklon ob podvojitvi proste dolžine orodja poveča za faktor 8. Ob podvojitvi premera se odklon zmanjša za faktor 16. Krajša in večja orodja so torej manj nagnjena k vibraci‐ jam. Kot kriterij za hitro analizo tveganja pojava vibracij se zato pogosto uporablja raz‐ merje proste dolžine (L/D = nepodprta oz. prosta dolžina, deljena s premerom). Nekaj iz‐ kustvenih vrednosti za razmerje proste dolžine: o Če je razmerje proste dolžine manjše od 3, vibracij običajno ni. o Če je razmerje proste dolžine večje od 3 in manjše od 6, obstaja tveganje vibracij. o Če je razmerje proste dolžine večje od 6 in manjše od 9, se bodo pojavile vibraci‐ je. o Če razmerje proste dolžine presega 9, lahko gotovo računamo z vibracijami, ki jih ni mogoče odpraviti s klasičnim orodjem.

Z bolj togim orodnim materialom. Glavni vplivni dejavnik je modul elastičnosti (E). Če jekleno orodno držalo zamenjamo s podobnim držalom iz karbidne trdine, lahko odklon zmanjšamo tudi do 50 %. Ta ukrep lahko kombiniramo s konično obliko vpenjalnega dela orodja.

Slika 6:25 Odvisnost med upogibom, silo in glavnimi dimenzijami konzolnega cilindričnega nosilca

Pri uporabi kriterija razmerja proste dolžine za napovedovanje tveganja vibracij je potrebna pre‐ vidnost. S preureditvijo formule s Slike 6:25 dobimo formulo na Sliki 6:26. Če uporabimo formu‐ lo v tej obliki zapisa za dve orodji, pridemo do zanimivih ugotovitev. Razmerje proste dolžine za prvo orodje s prosto dolžino 200 mm in premerom 50 mm je 4. Tudi pri drugem orodju, ki je dolgo 100 mm in ima premer 25 mm, je koeficient proste dolžine enak 4. Ali lahko iz tega skle‐ pamo, da bo nevarnost vibracij pri obeh orodjih enaka? Če vstavimo dimenzije obeh orodij v formulo na Sliki 6:26, se izkaže, da ima drugo orodje dvakrat večji upogib in torej dvakrat večje tveganje vibracij. Ob nevarnosti vibracij je torej najpomembnejši premer orodja.

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 64

Slika 6:26 Upogib kot funkcija proste dolžine in premera

V nadaljevanju podajamo nekaj praktičnih ukrepov za zmanjšanje ali odpravo tveganja vibracij. Z vsemi se spremeni velikost ali smer delovanja rezalnih sil na rezalno orodje. ‐ Uporabite nastavni kot blizu 90°. ‐ Uporabite manjši radij konice in/ali ostrejši rezalni rob. ‐ Zmanjšajte globino reza in povečajte podajanje. ‐ Spremenite rezalno hitrost. ‐ Uporabite boljši sistem za vpenjanje orodja, npr. orodje Seco‐Capto in Seco Steadyline.

Slika 6:27 Nevarnost vibracij lahko zmanjšamo z boljšim vpetjem rezalnega orodja.

Zgornji nasvet v zvezi z uporabo nastavnega kota blizu 90° se pri frezanju uporabi drugače. Re‐ zalne sile pri frezanju tako kot pri struženju delujejo približno pravokotno na rezalne robove (Slika 6:28). Če analiziramo upogibanje frezala, ki je vpeto v vreteno obdelovalnega stroja (Slika 6:29), je upogib odvisen od produkta rezalne sile ter razdalje med smerjo nosilke rezalne sile in referenčno točko na vretenu. Vsako vreteno obdelovalnega stroja ima fiksno točko, okrog katere se lahko vrti. Če primerjamo obodno frezalo (nastavni kot je 90°) in frezalo za visoko podajanje (nastavni kot je le nekaj stopinj), opazimo, da je razdalja med smerjo nosilke rezalne sile in refe‐ renčno točko pri frezalu za visoko podajanje manjša, zato je manjše tudi tveganje vibracij (pri enakih rezalnih silah).

Slika 6:28 Velikost in smer rezalne sile, ki deluje na frezalo (približno pravokotno na rezalni rob)

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 65

Slika 6:29 Tveganje vibracij pri frezanju je odvisno od produkta F x l.

6.8 Postopek izbire orodja za frezanje brez vibracij Glavna rešitev ob težavah z vibracijami pri frezanju je sprememba velikosti in smeri rezalnih sil.

To lahko dosežemo z izbiro ustreznega orodja in delovnih pogojev.

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

Izberite frezalo z manjšim številom zob in ga vpnite z najmanjšo možno prosto dolžino.

Izberite rezalne robove s pozitivno geometrijo.

Izberite frezalo manjšega premera. To je še posebej pomembno pri orodju Steadyline.

Izberite rezalne robove z manjšim radijem zaokrožitve. Izberite karbidne kvalitete s tanjšo prevleko.

Uporabite večje podajanje na zob, in to tako, da zmanjšate vrtilno hitrost in ohranite po‐ dajanje mize. Če se pojavijo vibracije, ne zmanjšujte podajanja na zob.

Zmanjšajte aksialno in radialno globino reza.

Uporabljajte stabilne sisteme za vpenjanje frezal. Če delate z modularnimi orodnimi siste‐ mi, uporabite največji priključek. Uporabljajte orodja s koničnim vpenjalnim delom.

Frezalo postavite v središče obdelovanca. Uporabljajte tehniko protismernega frezanja.

Začnite z normalnim podajanjem in rezalno hitrostjo. Če se pojavijo vibracije, postopno uvajajte spremembe: najprej povečajte podajanje, nato povečajte vrtilno hitrost, potem zmanjšajte vrtilno hitrost in končno zmanjšajte podajanje. To počnite, dokler vibracije ne izginejo ali pa postanejo čim manjše.

6.9 Postopek izbire orodja za notranje struženje brez vibracij Z naslednjimi ukrepi lahko vplivate na rezultate notranjega struženja in jih uporabljate kot kon‐ trolni seznam ob težavah z vibracijami.

1. Preverite razmerje proste dolžine in po potrebi spremenite orodje. Ali je mogoče povečati premer orodja? Ali ima orodje koničen vpenjalni del? Ali gre za orodje iz modularnega sistema (z različnimi premeri)?

2. Ali je orodje vpeto na najboljši možni način (Seco‐Capto)?

3. Ali je rezalni rob v višini središča? _____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 66

4. Izberite rezalne robove s pozitivno geometrijo in z majhnim radijem zaokrožitve. Izberite karbidne kvalitete s tanjšo prevleko.

5. Izberite tip in velikost ploščice ter radij konice. Ta mora biti za zmanjšanje pasivne rezalne sile čim manjši, po možnosti manjši od globine reza. Omejite globino reza, da preprečite prevelik odklon orodja in zagotovite obdelavo v zahtevanih tolerancah. Če obstaja tvega‐ nje vibracij, imajo prednost ploščice z majhnim kotom konice (60 ali 55°), ki dajejo dobro kombinacijo lahkotnega odrezavanja in dobre trdnosti roba.

6. Izberite ploščico z ostro geometrijo – ostri morata biti rezalna geometrija in geometrija re‐ zalnega roba. Odrezavanje bo tako lahkotno, odklon orodja pa bo majhen. Upoštevajte pa, da so ostrejši rezalni robovi šibkejši in da lomljenje odrezkov morda ne bo ustrezno.

7. Izberite ploščico z bolj žilavo karbidno kvaliteto in v primeru tveganja vibracij izberite ostrejšo geometrijo. Tak rezalni rob ima manjšo trdnost in se lahko okruši ali predčasno zlomi. Da bi povečali zanesljivost rezalnega roba in obstojnost orodja, morate šibkejšo ge‐ ometrijo kompenzirati z bolj žilavim rezalnim materialom.

8. Skrbno izberite rezalne parametre. Globina reza mora biti čim manjša, podajanje pa dovolj veliko. Če obstaja resno tveganje vibracij, mora podajanje znašati vsaj 25 % radija konice.

Rezalno hitrost izberite tako, da ne bo v območju vrtljajev, kjer je obdelovalni stroj manj stabilen.

6.10 Postopek izbire orodja za struženje brez vibracij Z naslednjimi ukrepi lahko vplivate na rezultate struženja in jih uporabljate kot kontrolni seznam ob težavah z vibracijami.

1. Izberite osnovni orodni sistem in dimenzije za maksimalno stabilnost in togost. Orodje vpnite tako, da bo prosta dolžina čim manjša, ker s tem povečate lastno frekvenco in zmanjšate odklon orodja. Tako se boste lažje izognili vibracijam ali jih zadušili, če bi vseeno nastale.

2. Izberite tip in velikost ploščice in radij konice. Ta mora biti za manjšo pasivno rezalno silo čim manjši, po možnosti manjši od globine reza. Omejite globino reza, da se izognete pre‐ velikim odklonom orodja in zagotovite obdelavo v pravih tolerancah. Če obstaja tveganje vibracij, imajo prednost ploščice z majhnim kotom konice (60 ali 55°), ki dajejo dobro kombinacijo lahkotnega odrezavanja in dobre trdnosti roba.

3. Izberite ploščico z ostro geometrijo – ostri morata biti rezalna geometrija in geometrija re‐ zalnega roba. Odrezavanje bo tako lahkotno, odklon orodja pa bo majhen. Pazite pa na to, da so ostrejši rezalni robovi šibkejši in da lomljenje odrezkov morda ne bo ustrezno.

4. Izberite ploščico z bolj žilavo karbidno kvaliteto. V primeru tveganja vibracij izberite ostrej‐ šo geometrijo. Tak rezalni rob ima manjšo trdnost in se lahko okruši ali predčasno zlomi.

Da bi povečali zanesljivost rezalnega roba in obstojnost orodja, morate šibkejšo geometri‐ jo kompenzirati z bolj žilavim rezalnim materialom.

5. Skrbno izberite rezalne parametre. Globina reza mora biti čim manjša, podajanje pa dovolj veliko. Če obstaja resno tveganje vibracij, mora vrednost podajanja znašati vsaj 25 % radija konice. Rezalno hitrost izberite tako, da ne bo v območju vrtljajev, kjer je obdelovalni stroj manj stabilen.

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 67

6.11 Delovanje rezalnih sil na rezalne robove in obstojnost orodja Rezalni rob je podvržen delovanju rezalnih sil. Če ni dovolj trden, da bi jih vzdržal, se na njem kaj kmalu pojavi krušenje (od roba se odlomijo manjši delci) ali lom. Še posebej pri ostrih rezalnih robovih je pomembno, da so rezalne sile uravnotežene s trdnostjo rezalnega roba.

 v ploščici. Mehanska trdnost ploščice je odvisna od geometrije in kvalitete.

 Geometrija lomilca odrezkov vpliva na trdnost rezalnega roba.

Slika 6:30 Delovanje rezalnih sil na rezalni rob

Na Sliki 6:31 so zbrane lastnosti dveh osnovnih geometrij rezalnega roba. Pri vsaki nalogi mora‐ mo doseči ravnovesje med geometrijo rezalnega roba ter trdnostjo in sposobnostjo geometrije za lomljenje odrezkov.

Slika 6:31 Različni mikrogeometriji rezalnega roba

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 68

6.12 Mehanske obremenitve in kakovost obdelane površine Zlasti pri notranjem struženju je treba tudi pri najboljših orodjih vedno upoštevati nevarnost vi‐ bracij. Orodje se zaradi rezalnih sil odklanja (Slika 6:32). Radialni odklon vpliva na obdelani pre‐ mer, zaradi tangencialnega odklona pa se rezalni rob premika navzdol, proč od središčnice.

Spremenjena debelina odrezkov in sprememba dejanske rezalne geometrije rezalnega roba v obeh primerih vplivata na velikost in na smer rezalnih sil. Za ugotavljanje točnih vrednosti od‐ klona se priporočajo preskusni rezi.

Slika 6:32 Primer načela kompenzacije tangencialnega in radialnega odklona

Slika 6:32 prikazuje odvisnost med dejanskim odklonom rezalnega orodja in globino reza. Tan‐ gencialni odklon se povečuje linearno z globino reza. Če je prevelik, moramo globino reza zmanjšati. Radialni odklon je funkcija globine reza, nanj pa vplivata tudi razmerje med radijem konice in globino reza ter nastavni kot.

6.13 Iskanje vzrokov vibracij na podlagi hrupa med obratovanjem Hrup med obratovanjem lahko izkoristimo za določene ugotovitve o naravi vibracij. Če je hrup visokih frekvenc (cviljenje), je to lahko znak za lokalna resonančna nihanja na rezal‐ nem robu ali v njegovi okolici zaradi frekvence lomljenja odrezkov. To je opazno tudi na obdelani površini kot nepravilnosti v ponavljajočem se vzorcu. Pojav v večini primerov ne škoduje obdela‐ vi, če pa predstavlja težavo, je treba spremeniti rezalne parametre.

Hrup je lahko srednjih frekvenc (kot pri sireni), kar je znak za manjše spremembe v velikosti in smeri rezalnih sil. Rezalno orodje lahko zaradi njih zaide v resonanco, na obdelani površini pa se pojavijo vzorci približno spiralne oblike. V tem primeru je treba ponoviti postopek izbire orodja in po možnosti izbrati močnejše orodje. Če je zvok med odrezavanjem zelo nizkih frekvenc (kot iz roga), je to znak za resonančna nihanja celotnega obdelovalnega sistema (obdelovalni stroj, rezalno orodje, obdelovanec …). V tem pri‐ meru iščite šibke točke v celotnem sistemu. Preverite togost vpetja orodja in obdelovanca. Po‐ novite postopek izbire orodja, nazadnje pa preverite še rezalne parametre.

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 69

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 70

Termična analiza obdelave z odrezavanjem Temperature, ki se razvijajo med odrezavanjem, odločilno vplivajo na dosegljivo kakovost izdel‐ kov in zmogljivost proizvodnje. Vse oblike obrabe orodja so namreč neposredno povezane s kombiniranim vplivom mehanskih in toplotnih obremenitev, ki jim je izpostavljeno orodje. Porast temperature v različnih deformacijskih conah med procesom odrezavanja je mogoče oceniti na podlagi izmenjave toplote med deformacijskimi conami, prevoda toplote iz orodja in obdelovan‐ ca na okolico ter vpliva teh procesov na odrezavanje. V tem poglavju je predstavljen toplotni model na podlagi materiala obdelovanca in rezalnega orodja, izmerjenega in ocenjenega poteka obdelave ter izbranih rezalnih parametrov. V modelu se upošteva nekaj predpostavk in poeno‐ stavitev – temperaturni gradienti v rezalnem orodju in v obdelovanem materialu so linearni, po‐ goji pa so stacionarni. Sestavljena temperatura v tem modelu predstavlja temperaturo rezalnega orodja, pri kateri orodje dobro prenaša vse toplotne spremembe.

7.1 Uvod

Slika 7:1 Toplota in temperature pri odrezavanju

Obdelovani material se med odrezavanjem deformira in večina deformacijskega dela se pretvori v toploto. Največji del toplote nastane v primarni strižni coni. Nastala toplota se širi po coni re‐ zanja ter segreva obdelovanec, rezalno orodje in odrezke. Glavni dejavniki, ki vplivajo na nasta‐ nek toplote, so obdelovani material (pomembni lastnosti sta npr. preoblikovalni odpor in trdo‐ ta), rezalna hitrost in podajanje (hitrost deformacij). Kako se bo toplota širila ali ostala koncen‐ trirana v določenih predelih cone rezanja, je odvisno predvsem od toplotne prevodnosti materi‐ ala obdelovanca in rezalnega materiala.

7.2 Nastajanje toplote med procesom obdelave z odrezavanjem Kot je razvidno s Slike 7:2, je energija, ki se porabi med procesom odrezavanja, zelo odvisna od debeline odrezkov. Poraba energije zaradi trenja in ločevanja na cepilni ploskvi rezalnega orodja ni odvisna od debeline odrezka, poraba energije zaradi trenja na prosti ploskvi rezalnega orodja pa je šibko povezana z debelino odrezka. Energija, ki jo porabimo med procesom obdelave z od‐ rezavanjem, se skoraj v celoti pretvori v toploto, predvsem v primarni strižni coni ter na stiku med odrezkom in cepilno ploskvijo (v sekundarni strižni coni).

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 71

Slika 7:2 Značilni primer porabe energije (navpična os) v odvisnosti od debeline odrezka (vodoravna os) pri odreza‐ vanju. Toplota nastaja zaradi trenja med obdelovanim materialom in rezalnim orodjem ter zaradi deformacij in strižnega delovanja v obdelovanem materialu (Vieregge).

7.3 Temperature pri odrezavanju Nastala toplota se širi po coni rezanja, del toplote pa preide v rezalno orodje, ki se segreje na višjo temperaturo. Temperatura orodja mora biti nadzorovana, saj rezalno orodje pri določeni temperaturi izgubi svojo rezalno sposobnost. Del toplote se prenese na obdelovanec, ki se prav tako segreje. Tudi temperatura obdelovanca mora ostati čim nižja, saj je sicer lahko ogrožena kakovost obdelane površine (dimenzijske tolerance, površinska struktura materiala …). Del na‐ stale toplote uide v zrak kot sekundarni toplotni tok. Preostala toplota se prenese na odrezke in ta toplotni tok je koristen – ko odrezki zapustijo cono rezanja, s seboj odnesejo tudi toploto. Več toplote ko se prenese na odrezke, manj je prevzameta rezalno orodje in obdelovanec. Dober proces odrezavanja lahko torej opredelimo tudi kot proces, pri katerem se večina toplote odve‐ de z odrezki.

Slika 7:3 Na levi so prikazani teoretični toplotni tokovi med procesom odrezavanja kovine, na desni pa značilna maksimalna temperatura v orodju, obdelovancu in odrezku.

Toplotni tok pri odrezavanju je zelo odvisen od rezalne hitrosti. Večja ko je rezalna hitrost, več toplote se odvede z odrezki (Slika 7:4). Rezalna hitrost je glavni dejavnik, s katerim se lahko pri‐ bližamo optimalnim toplotnim razmeram. Večje rezalne hitrosti po eni strani povzročijo nastaja‐ _____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 72

nje več toplote in višje temperature na mestih, kjer se koncentrira toplota, po drugi strani pa se pri večjih rezalnih hitrostih več toplote odvede z odrezki, manj je ostane v coni rezanja in tempe‐ rature so nižje. Pri vsaki rezalni hitrosti obstaja ravnovesje med ustvarjeno in odvedeno toploto.

Slika 7:4 Vpliv rezalne hitrosti na porazdelitev toplote pri odrezavanju kovin.

Temperature na levi so značilne za splošno struženje jekla.

Toplota, ki se prenaša na rezalno orodje, se v določeni meri razširi. Koliko toplote ostane kon‐ centrirane ali se je razširi po rezalnem orodju, je odvisno od rezalnega materiala in od prevleke.

Na rezalnem orodju se oblikujejo območja z nižjo temperaturo in območja z višjo temperaturo.

Kadar analiziramo vpliv temperature na vedenje rezalnega roba, moramo upoštevati dva pojava.

Določeni predeli rezalnega orodja se segrejejo na zelo visoko temperaturo in prav tam lahko pri‐ čakujemo začetke slabšanja rezalnega orodja (Slika 7:5). Po drugi strani temperaturni gradienti (temperaturne razlike v sosednjih območjih) povzročijo termične napetosti v strukturi rezalnega materiala, zaradi katerih lahko nastanejo toplotne razpoke, ki oslabijo strukturo rezalnega mate‐ riala in skrajšajo obstojnost orodja.

Slika 7:5 Začetki slabšanja in obrabe rezalnega roba se pojavijo v predelu rezalnega orodja, kjer je temperatura naj‐ višja. Grafa prikazujeta temperaturo pri različnih rezalnih hitrostih (najvišja temperatura ustreza največjim rezalnim hitrostim).

7.4 Vpliv obdelovanega materiala na temperature pri odrezavanju Nastanek in širjenje toplote, ki povzroča povišanje temperatur, sta zelo odvisna od lastnosti ma‐ teriala obdelovanca. Trši ko je, več energije se porabi za deformacije materiala. Večja trdota je _____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 73

zato povezana z višjimi temperaturami in temperaturnimi gradienti pri odrezavanju. Pri analizi toplotnih vplivov je pomembna tudi vrsta odrezkov – dolgi, neprekinjeni odrezki odvedejo več toplote iz cone rezanja kot kratki odrezki, temperatura v coni rezanja je nižja. Toplotna prevo‐ dnost obdelovanega materiala kot merilo sposobnosti prevajanja toplote je verjetno njegova najpomembnejša lastnost pri analizi toplotnih razmer v procesu odrezavanja. Toplota nastaja med odrezavanjem predvsem v strižni ravnini. Pri obdelavi materiala z veliko toplotno prevo‐ dnostjo se večina nastale toplote odvede iz cone rezanja z odrezki. Več toplote ko izgine z od‐ rezki, manj je ostane v coni rezanja ter manjše so maksimalne temperature in temperaturni gra‐ dienti v rezalnem orodju in v obdelani površini. Tako je zagotovljena večja kakovost obdelane površine in daljša obstojnost rezalnega roba (glejte Sliko 7:6 in Sliko 7:8).

Slika 7:6 Temperaturni gradienti pri različnih obdelovanih materialih (sistem razvrščanja ISO)

Slika 7:7 Značilni primeri najvišje temperature v rezalnem orodju v odvisnosti od rezalne hitrosti (vodoravna os) za različne obdelovane materiale

Na Sliki 7:8 je prikazan značilen primer temperatur v obdelovanih materialih z različno toplotno prevodnostjo. Manjša ko je toplotna prevodnost obdelovanega materiala, manjši je toplotni tok v odrezke in več toplote preide v rezalni rob. Maksimalna temperatura rezalnega roba se zviša in obstojnost orodja se skrajša. Previsokim temperaturam rezalnega roba med odrezavanjem se lahko izognemo z zmanjšanjem rezalne hitrosti pri materialih z manjšo toplotno prevodnostjo.

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 74

Slika 7:8 Povezava med toplotno prevodnostjo različnih obdelovanih materialov in obstojnostjo orodja

Slika 7:9 prikazuje temperaturo rezalnega roba pri mehkejših in trših obdelovanih materialih. V obdelavo trših materialov moramo vložiti več energije, zato nastaja tudi več toplote. Posledica tega je višja temperatura rezalnega roba in skrajšanje obstojnosti orodja. To lahko kompenzira‐ mo tako, da za trde materiale izbiramo manjše rezalne hitrosti kot za mehkejše.

Slika 7:9 Vpliv materiala na temperature rezalnega orodja (temperaturna skala ni enaka pri obeh materialih)

7.5 Vpliv rezalnih parametrov na temperature pri odrezavanju Če povečamo rezalno hitrost, med procesom odrezavanja nastaja več toplote. Čeprav se pri večjih rezalnih hitrostih z odrezki odvede več toplote, se zaradi celotne toplotne bilance zviša tudi temperatura rezalnega orodja. Z natančno analizo ugotovimo naslednje: ‐ S povečevanjem rezalne hitrosti se zvišuje maksimalna temperatura na rezalnem robu. ‐ Lega območja z najvišjo temperaturo ni odvisna od rezalne hitrosti. Če je območje z maksi‐ malno temperaturo blizu pravega rezalnega roba, to vsekakor vpliva na njegovo obstojnost. ‐ Večje rezalne hitrosti povzročijo višje temperaturne gradiente v manjših predelih rezalnega orodja. Posledično se povečajo termične napetosti, ki občutno skrajšajo obstojnost orodja zaradi pojava toplotnih razpok v strukturi rezalnega materiala.

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 75

Slika 7:10 Od rezalne hitrosti je odvisna najvišja temperatura, ne pa tudi lega predela z najvišjo temperaturo, kjer se pojavi začetna obraba.

Ob spremembi podajanja med odrezavanjem se dramatično spremeni toplotna bilanca rezalne‐ ga roba. Na splošno velja, da pri večjem podajanju nastaja več toplote, kar pa ne pomeni, da se nujno skrajša obstojnost orodja. Podrobnejša analiza pokaže: ‐ Čeprav nastaja pri večjem podajanju več toplote, ostane temperatura na rezalnem robu niž‐ ja. To lahko pojasnimo prvič z debelejšimi odrezki, ki s seboj odnesejo več toplote in je pustijo manj za rezalni rob, drugič pa je pri večjem podajanju večji tudi stik med odrezkom in cepilno ploskvijo. Toplotni tok iz odrezka v rezalno orodje je tako porazdeljen po večji po‐ vršini, koncentracija toplote je manjša in temperature so nižje. ‐ Večje podajanje je povezano z manjšo koncentracijo temperaturnih gradientov. To pomeni, da je v rezalnem orodju manj območij, ki so nagnjena k toplotnim razpokam zaradi preveli‐ kih temperaturnih gradientov.

Iz analize obstojnosti orodja in toplotne učinkovitosti procesa sledi, da ima večje podajanje pri zagotavljanju ugodnih razmer prednost pred večjo rezalno hitrostjo.

Slika 7:11 Podajanje določa lego območja z maksimalno temperaturo in območja koncentracije toplote z velikimi temperaturnimi gradienti.

7.6 Vpliv rezalne geometrije na temperature pri odrezavanju Če primerjamo različne rezalne geometrije orodij, je očitno, da ostrejši rezalni rob bolj »reže« kot »deformira« obdelovanec. To pomeni, da se pri odrezavanju z ostrim rezalnim robom porabi manj energije, zato nastaja manj toplote in temperature pri odrezavanju ostanejo nižje. Iščemo torej ravnovesje med trdnostjo rezalnega roba (prednost imajo negativne rezalne geometrije) in nizkimi temperaturami pri odrezavanju (prednost imajo pozitivne rezalne geometrije). _____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 76

Slika 7:12 Vpliv geometrije (kota hrbta rezalnega roba) na temperature na rezalnem robu

Vprašanje izbire prave geometrije rezalnega roba za določeno nalogo je odvisno predvsem od lastnosti obdelovanega materiala – mehanskih in toplotnih. Zelo trdi materiali zahtevajo močno geometrijo rezalnega roba. Kadar imamo opravka z obdelavo materialov z majhno toplotno pre‐ vodnostjo, pa imajo toplotne lastnosti obdelovanega materiala (toplotna prevodnost) prednost pred mehanskimi lastnostmi. Za obdelavo takih materialov je pogosto primernejši ostrejši rezal‐ ni rob. Tako nastaja manj toplote, temperature na rezalnem robu ostanejo nižje in orodje ima daljšo obstojnost.

Na Sliki 7:13 je podan primer, kako se pri različnih geometrijah rezalnih robov v kombinaciji z različnimi rezalnimi hitrostmi razvijejo različne temperature v rezalnem orodju. Če je temperatu‐ ra orodja omejena navzgor, lahko uporabimo ostrejši rezalni rob in vseeno izkoristimo večje re‐ zalne hitrosti.

Slika 7:13 Vpliv geometrije hrbta rezalnega roba in rezalne hitrosti (vodoravna os) na temperaturo na rezalnem ro‐ bu. S pozitivno geometrijo hrbta rezalnega roba znižamo temperaturo in lahko izkoristimo večje rezalne hitrosti.

7.7 Vpliv obrabe rezalnega roba na temperature pri odrezavanju Z obrabo rezalnega orodja se spreminja geometrija rezalnega roba, to pa vpliva na proces odre‐ zavanja in na količino nastale toplote. Bolj ko je rezalni rob obrabljen, več toplote nastaja. Ta pojav v kombinaciji z rezalnimi parametri lahko bolj ali manj vpliva na temperature pri odreza‐ vanju. Kot je razvidno s Slike 7:14, je vpliv obrabe rezalnega roba na temperaturo večji pri obde‐ lavah z velikimi rezalnimi hitrostmi.

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 77

Slika 7:14 Primer vpliva obrabe orodja (novo orodje, po 5 minutah dela in po 10 minutah dela) na temperature na rezalnem robu

7.8 Splošni premisleki o hladilnih sistemih Med odrezavanjem kovin nastajajo velike količine toplote. Ta toplota je delno koristna, saj omehča obdelovani material, ki se lažje plastično preoblikuje. Rezalne sile so manjše in proces odrezavanja poteka bolj gladko. Pretežni del toplote pa je treba iz cone rezanja odstranjevati. Če je koncentracija toplote v rezalni coni prevelika, se temperature rezalnega orodja in obdelovan‐ ca zvišajo čez mero, tako da se skrajša obstojnost rezalnega roba in zmanjša kakovost obdelane površine. Pri obdelavi z odrezavanjem toploto iz cone rezanja odstranjujemo s hladilnimi sistemi.

Osnovni mehanizmi hlajenja in mazanja pri obdelavi z odrezavanjem so obravnavani v posebni literaturi. Na tem mestu bomo le na kratko opisali mehanizme, s katerimi hlajenje vpliva na ob‐ delavo. Do danes ni povsem jasno, kako hladilno‐mazalna tekočina prodira do območij na rezal‐ nem robu in na cepilni ploskvi, ki so najbolj segreta, in vpliva na temperature med odrezava‐ njem. Večina toplote nastane v primarni strižni coni in hlajenje bi bilo najbolj učinkovito, če bi hladilno sredstvo lahko dovajali neposredno do strižne cone. Tlaki med odrezkom in cepilno ploskvijo rezalnega orodja pa so prvič izjemno visoki in hladilno sredstvo bi morali dovajati vsaj pod enakim tlakom. Drugič so temperature v dejanski coni rezanja tako visoke, da bi hladilno sredstvo (če bi nam ga že uspelo dovesti do cone rezanja) tam takoj izparelo in oblikovalo parno oviro, ki bi preprečila dovod dodatne hladilno‐mazalne tekočine v cono rezanja. Novejše študije so pokazale, da hladilna tekočina pronica do rezalnega roba ter v območje stika med odrezkom in cepilno ploskvijo ob strani odrezka zaradi kapilarnega delovanja povezanih kanalčkov v nepra‐ vilnostih na površini stika.

Slika 7:15 Primeri hladilnih sistemov za različne naloge odrezavanja

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 78

Uporaba hlajenja pri obdelavi z odrezavanjem se je razširila zaradi različnih razlogov. Prvi je se‐ veda odvajanje toplote za obvladovanje temperatur pri odrezavanju. To je pomembno za dose‐ ganje dobre obstojnosti rezalnih robov in kakovosti obdelane površine. S hlajenjem lahko v veči‐ ni primerov zmanjšamo rezalne sile in s tem porabo energije. Hladilno‐mazalna tekočina tudi odplakuje odrezke iz cone rezanja in s tem preprečuje, da bi motili proces odrezavanja, še pose‐ bej pri vrtanju in rezanju navojev. Tako se izboljša celotna učinkovitost procesa. Hladilna tekoči‐ na pomaga tudi pri mazanju drsnih površin obdelovalnega stroja in odnaša odrezke s površin stroja v elevator za odrezke. S hlajenjem med odrezavanjem se izboljša tudi hrapavost obdelane površine, saj tekočina preprečuje nastanek srha na obdelani površini na mikroravni. Hladilna te‐ kočina prav tako ščiti obdelano površino pred korozivnim delovanjem okolja. S hlajenjem zniža‐ mo temperaturo obdelovanca in tako preprečimo, da bi se temperaturno raztezal in deformiral.

Odrezki se pri uporabi hlajenja običajno lomijo na krajše kose in ne oblikujejo dolgih trakov, ki so vroči in ostri ter jih je težko odstraniti z obdelovanca. Hlajenje na splošno izboljšuje zmogljivost rezalnega orodja ter tako ugodno vpliva na produktivnost in stroškovno učinkovitost obdelave.

Odrezavanje s hlajenjem pa je povezano še z dodatnimi tveganji za zdravje in varnost upravljav‐ cev strojev ter ne nazadnje še z dodatnimi stroški obdelave.

Slika 7:16 Različni hladilni sistemi, ki se uporabljajo pri odrezavanju kovin. Od zgoraj navzdol: odrezavanje na suho, oblivanje, hlajenje z minimalno količino in odrezavanje z visokotlačnim dovodom hladilno‐mazalne tekočine (HPDC).

V praksi se je uveljavilo več različnih sistemov hlajenja. Če naj bo učinkovito, mora hladilno sred‐ stvo prodreti v cono rezanja ali se ji kar najbolj približati. ‐ Pri metodi oblivanja se v cono rezanja dovaja neprekinjen curek hladilno‐mazalne tekočine.

Včasih se medij dovaja skozi samo orodje in je usmerjen ob prosti ploskvi orodja. Tak način hlajenja izkorišča načelo prevoda toplote: kadar hladilno‐mazalna tekočina pride v stik z od‐ rezki, se toplota iz cone rezanja prek odrezkov prenaša na hladilno tekočino. Sistem je uve‐ ljavljen in daje dobre rezultate, manj učinkovit pa je pri obdelavi materialov z majhno toplotno prevodnostjo. ‐ Pri metodi mazanja z meglico oz. z minimalno količino maziva (MQL) se hladilno‐mazalna tekočina razprši na kapljice velikosti 10–25 mikronov. Meglica se prši v cono rezanja z veliko hitrostjo pribl. 300 m/min in pod visokim tlakom. Tekočina pri tej vrsti hlajenja doseže težko dostopna mesta, podobno kot pri uporabi pršil, zagotovljen pa je tudi boljši pregled nad ob‐ delovancem kot pri hlajenju z oblivanjem. Sistem izkorišča fizikalno načelo konvekcije, hla‐ dilna zmogljivost pa je manjša kot pri oblivanju. Postopki MQL zahtevajo tudi odsesavanje, _____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 79

da upravljavec obdelovalnega stroja in drugi ljudje v delavnici ne bi vdihavali kapljic tekočine. ‐ Visokotlačne metode. Razvoj toplote med odrezavanjem je s povečevanjem rezalnih hitrosti postal pomemben vplivni dejavnik procesa. Sistem za visokotlačni dovod hladilno‐mazalne tekočine omogoča izboljšan odvod toplote iz cone rezanja, še posebej učinkoviti so sistemi za usmerjen dovod medija pod visokim tlakom (angl. High Pressure Directed Cooling, HPDC).

Pri teh sistemih se hladilna tekočina dovaja skozi posebne šobe, ki usmerjajo močan curek tekočine neposredno v cono rezanja. Visok tlak pomaga tudi pri lomljenju odrezkov v situa‐ cijah, ko bi bili odrezki sicer predolgi in bi motili obdelovalni proces. Primer tovrstnega sistema HPDC je orodje Seco Jetstream. ‐ Kriogena obdelava. Ena od novejših smeri razvoja obdelovalnih postopkov je uporaba krio‐ genih plinov, kot sta dušik in ogljikov dioksid v vlogi hladilnega sredstva. Tekoči dušik pri temperaturi –200 °C se vbrizgava v cono rezanja skozi šobe majhnega premera. Zaradi nižjih temperatur se ohrani trdota in podaljša obstojnost orodja, zato je možna obdelava z večjimi rezalnimi hitrostmi. Tudi odrezki so bolj krhki, zaradi česar se poveča celotna odrezovalnost.

Dušik se preprosto upari in nima škodljivega vpliva na okolje.

Slika 7:17 Princip delovanja orodja Seco Jetstream. Hladilno‐mazalna tekočina pod visokim tlakom se zelo natančno vbrizgava v cono rezanja za največji učinek hlajenja.

Zaradi ekonomskih in okoljskih razlogov ugotavljamo stalen trend zmanjševanja ali odprave upo‐ rabe hladilno‐mazalnih sredstev, iz katerega izhajajo tudi tehnike suhe ali skoraj suhe obdelave.

Pristop ponuja več pomembnih koristi: ‐ minimalen vpliv na okolje zaradi hladilno‐mazalnih sredstev, izboljšanje kakovosti zraka v delavnicah in zmanjšanje zdravstvenih tveganj, ‐ zmanjšanje stroškov obdelave, vključno s stroški vzdrževanja, recikliranja in odstranjeva‐ nja hladilno‐mazalnih tekočin.

Ena od nalog hladilnega sredstva je tudi odplakovanje odrezkov iz rezalne cone, ki lahko povzro‐ čajo težave pri suhi obdelavi. To funkcijo lahko prevzame stisnjen zrak, ki piha na rezalno orodje.

Stisnjen zrak sicer nima večjega učinka pri hlajenju, je pa zelo učinkovit pri odstranjevanju od‐ rezkov iz cone rezanja.

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 80

Slika 7:18 Orodje Seco Jetstream bolje odvaja toploto in ima zato daljšo obstojnost. To je še posebej opazno pri obdelavi materialov z majhno toplotno prevodnostjo.

Izbira hladilnega sistema je odvisna od številnih dejavnikov, kot so vrsta obdelovalnega postop‐ ka, material rezalnega orodja in obdelovanca, rezalni parametri (predvsem rezalna hitrost) in način dovoda medija. Učinkovitost izbranega sistema je odvisna od hladilno‐mazalnega sredstva, tlaka vbrizgavanja medija v cono rezanja ter količine oz. pretoka medija.

Slika 7:19 Pomembni vidiki pri ocenjevanju hladilnih sistemov

Hladilno‐mazalno sredstva delimo v štiri skupine: olja (mineralna, živalska, rastlinska, olja z aditi‐ vi in sintetična olja), emulzije (zmesi olja, vode in aditivov), polsintetična (kemične emulzije z majhno vsebnostjo mineralnega olja) in sintetična (kemikalije z aditivi). Hladilno‐mazalna sred‐ stva izbiramo glede na material obdelovanca, obdelovalni stroj, biološke in okoljske vidike, zdravstvene vidike zaradi bližine operaterjev, ter recikliranje s posebnimi aditivi, sredstvi, bioci‐ di, deodoranti in obdelave vode. Olja bolje mažejo kot hladijo in se uporabljajo predvsem pri obdelavah z nizkimi temperaturami in majhnimi rezalnimi hitrostmi. Emulzije kot zmesi olja, vo‐ de in aditivov se uporabljajo pri večjih rezalnih hitrostih, kjer so temperature precej višje. Raz‐ merje med vodo in olji je odvisno od aplikacije in od obdelovanega materiala. Polsintetična hla‐ _____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 81

dilno‐mazalna sredstva so emulzije z majhnimi delci za boljšo učinkovitost. Sintetična hladilna sredstva ne vsebujejo olj.

Hladilni medij mora imeti naslednje lastnosti: ‐ visoka sposobnost absorpcije toplote za učinkovito odstranjevanje nastale toplote in niž‐ je temperature pri odrezavanju, ‐ dobre mazalne lastnosti za nizek koeficient trenja med rezalnim orodjem, odrezkom in obdelano površino, ‐ visoko plamenišče za požarno varnost, ‐ visoka kemična stabilnost, da medij ne oksidira na zraku ali v stiku z drugimi elementi med procesom odrezavanja, ‐ brez vonja, tudi pri visokih temperaturah, ‐ neškodljiv za človeško kožo, ‐ neškodljiv za ležaje obdelovalnega stroja, ‐ brez korozivnega delovanja na obdelovalni stroj ali obdelovanec, ‐ medij mora biti prozoren za čim boljši pregled nad dogajanjem med odrezavanjem, ‐ majhna viskoznost za neoviran pretok medija, ‐ ekonomičnost (nizka cena).

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 82

Slabšanje in obstojnost orodja Pri obdelavi z odrezavanjem se pogosto srečujemo s praktičnimi problemi, povezanimi s slabša‐ njem oz. obrabo orodja. Vzrokov slabšanja ne moremo vedno predvideti, vodijo pa do nespre‐ jemljivih poškodb orodja. Tudi če je obraba predvidljiva, se lahko zgodi, da se orodje obrablja prehitro in ne daje zadovoljive obstojnosti. V vsakem primeru moramo ustrezno ukrepati. Uspe‐ šnost uveljavljenih prijemov preverjamo z analizo slabšanja orodij. Učbenik Tool Deterioration, Practical Models (Slabšanje orodja, praktični modeli) je v celoti posvečen temi slabšanja in obra‐ be orodja ter izčrpno obravnava praktične modele za spremljanje in analizo slabšanja in obrabe pri vseh glavnih postopkih obdelave kovin z odrezavanjem. V njem je podan celovit pregled raz‐ ličnih vidikov in osnovnih mehanizmov slabšanja in obrabe orodja pri odrezavanju, temu pa se pridružuje vrsta praktičnih modelov in smernic za delo na zadevnem področju. Cilj je čim boljše razumevanje pojava slabšanja orodja in procesov obrabe pri obdelavi z odrezavanjem. Večina opisanih odvisnosti, modelov in smernic je bila tudi eksperimentalno preverjena, modeli pa so predstavljeni na način, ki najbolj ustreza potrebam prakse. Pričujoče poglavje povzema vsebino omenjenega priročnika.

8.1 Uvod Vsaka oblika slabšanja orodja je posledica razmer v rezalnem orodju in v njegovi bližini. Rezalno orodje je med delom izpostavljeno mehanskim in toplotnim obremenitvam, pri čemer slednje pospešujejo kemične in fizikalne procese. Tribološke obremenitve lahko obravnavamo kot kom‐ binacijo raznovrstnih procesov slabšanja. Obremenitve, ki vplivajo na rezalno orodje med proce‐ som odrezavanja, lahko opišemo z obremenitvenim vzorcem, ki je zbir vseh toplotnih, mehan‐ skih in kemičnih obremenitev rezalnega orodja.

Slika 8:1 Kompleksnost in vplivni dejavniki slabšanja orodja

Pomembno je, da strokovnjaki na področju obdelave kovin z odrezavanjem razumejo procese slabšanja orodja. Za vsakega uporabnika v industriji je namreč ključno, da lahko napove pravi trenutek za menjavo rezalnega orodja med obdelavo in tako prepreči, da bi bila ogrožena kako‐ vost končnega izdelka. Poznamo mnogo različnih vrst obrabe in slabšanja orodja, ki so odvisne od kombinacije obdelovalnega postopka, materiala in geometrije orodja ter materiala obdelo‐ _____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 83

vanca. Problem pri modeliranju obstojnosti orodja (še zlasti za težko obdelovalne materiale) je v tem, da se istočasno pojavljajo različne vrste slabšanja in obrabe orodja.

Slika 8:2 Pregled značilnih vrst obrabe. Vidimo, da se na rezalnem robu istočasno pojavlja več osnovnih vrst obrabe (Schultheiss, Univerza v Lundu).

8.2 Analiza obrabe orodja Ne glede na vrsto obrabe rezalnih robov ali ploskev rezalnega orodja obstajata dve možni situa‐ ciji, ki zahtevata različna pristopa k analizi, vrednotenju in meritvam.

Slika 8:3 Slika na levi prikazuje postopno obrabo, slika na desni pa nenadno poslabšanje orodja.

Prva možnost je, da se orodje slabša zaradi pojavov, ki niso sprejemljivi in škodujejo zanesljivosti procesa. Tak primer je lom orodja ali popolnoma nepredvidljiv proces obrabljanja. Druga mož‐ nost je, da se orodje slabša zaradi nadzorovane obrabe, kot je npr. obraba proste ploskve ali obraba v obliki kotanje, vendar proces slabšanja poteka prehitro.

V obeh primerih moramo za veljavne sklepe zbrati čim več podatkov o svojem primeru oz. o de‐ lovni nalogi, obdelovanem materialu, rezalnem materialu in geometriji, seveda pa tudi o rezal‐ nih parametrih. Dobro utemeljen pristop upošteva vse naštete elemente. _____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 84

Slika 8:4 Rezalni rob je izpostavljen visokemu tlaku, visokim temperaturam in relativnemu gibanju površin.

Zaradi različnih kontaktnih pogojev se pojavljajo različne oblike obrabe.

Ključna elementa analize obrabe orodja sta najvišja temperatura rezalnega roba in temperaturni gradient v rezalnem materialu. Od njiju je namreč odvisno, kateri osnovni mehanizem obrabe bo narekoval glavni vzorec obrabe. Dejanske temperature na rezalnem robu, temperaturni gradien‐ ti in sposobnost dobrega delovanja rezalnega roba v teh temperaturnih razmerah so odvisni od več dejavnikov: ‐ Lastnosti obdelovanega materiala. Pri obdelavi materialov z močnejšo mikrostrukturo na‐ staja več toplote, zato so višje tudi temperature v coni rezanja in temperaturni gradienti v rezalnem materialu. Pomembna je še toplotna prevodnost obdelovanega materiala, od ka‐ tere je odvisno, koliko toplote se med obdelavo skupaj z odrezki odvede iz cone rezanja, da je ostane manj za segrevanje rezalnega orodja in samega obdelovanca. Temperatura v pro‐ cesu je odvisna tudi od specifične toplote. ‐ Lastnosti rezalnega materiala. Rezalni rob je med delom izpostavljen velikim mehanskim obremenitvam, visokim temperaturam in temperaturnim gradientom. Rezalni rob se v ne‐ katerih predelih segreje na višjo temperaturo, drugje pa ostane hladnejši. Rezalni material mora imeti dobro trdoto v vročem, da lahko vzdrži maksimalne temperature na rezalnem robu. Zaradi temperaturnih gradientov mora biti sposoben vzdržati tudi morebitne toplotne razpoke v strukturi (najpomembnejša lastnost je žilavost). ‐ Pomembni so tudi rezalni parametri, predvsem rezalna hitrost. Večja rezalna hitrost pomeni višjo stopnjo deformacij obdelovanega materiala, pri čemer nastaja več toplote, maksimal‐ ne temperature na rezalnem robu so višje in v strukturi rezalnega materiala se vzpostavijo večji temperaturni gradienti. Pomemben rezalni parameter je tudi podajanje. Večje podaja‐ nje na splošno pomeni debelejše odrezke, ki odnašajo več toplote iz cone rezanja. Še pose‐ bej pri obdelavi materialov z majhno toplotno prevodnostjo lahko prav podajanje odločilno vpliva na obrabo in obstojnost orodja.

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 85

Slika 8:5 Pregled elementov, vključenih v vrednotenje obrabe orodja

Na diagramu na Sliki 8:6 so najpomembnejši mehanizmi, ki povzročajo različne vzorce obrablja‐ nja, predstavljeni kot funkcija temperature rezalnega roba. Vidimo, da se različni mehanizmi obrabe pojavijo pri različnih temperaturah. Prvi korak do obvladovanja obrabe in s tem do za‐ nesljivega, predvidljivega in nadzorovanega procesa odrezavanja je čim boljši nadzor nad mak‐ simalno temperaturo rezalnega roba in temperaturnimi gradienti.

Slika 8:6 Diagram različnih mehanizmov obrabe v odvisnosti od temperature rezalnega roba med obdelavo

8.3 Hitrost obrabljanja in obstojnost orodja Obstojnost orodja lahko definiramo kot čas, v katerem se orodje obrabi in tako poslabša, da mo‐ ramo zamenjati rezalni rob zaradi varnosti in zanesljivosti odrezavanja. Obstojnost orodja lahko izražamo na različne načine, npr. kot število minut, ko rezalni rob reže, kot količino odstranjene‐ _____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 86

ga materiala, število dokončanih obdelovancev … Tradicionalno jo navajamo v minutah rezanja in jo povezujemo z določeno velikostjo obrabe na rezalnem robu.

Pri tem moramo upoštevati dejstvo, da slabšanje orodja lahko nastopi zaradi mehanizmov obra‐ be ali pa zaradi pojavov, ki z obrabo niso povezani. Če želimo varen, nadzorovan in predvidljiv proces, je nadvse pomembno, da se orodje slabša predvsem zaradi obrabnih procesov, saj je sicer le težko ali celo nemogoče analizirati in napovedovati obstojnost orodja.

Postopno slabšanje orodja zaradi napredujoče obrabe je sestavljeno iz treh faz, kot je prikazano na Sliki 8:7. Obraba orodja v začetni fazi napreduje razmeroma hitro. V drugi fazi napreduje s približno konstantno hitrostjo, v tretji fazi pa se spet pospeši ter konča z lomom rezalnega roba.

Obrabo orodja lahko definiramo kot čas rezanja do prehoda v tretjo fazo obrabe, torej kot števi‐ lo minut, po katerem obraba ni več nadzorovana in ni mogoče napovedati delovanja rezalnega roba.

Slika 8:7 Obraba orodja kot funkcija časa rezanja

Obstajata dva osnovna načina adhezijske obrabe. Zaradi velikega kontaktnega pritiska med od‐ rezki in rezalnim orodjem se material obdelovanca privari na orodje in oblikuje nalepek. Ko se ta material pozneje odtrga, s seboj odnese tudi delce orodnega materiala. Drugi način adhezijske obrabe izhaja iz koeficienta temperaturnega raztezka orodne karbidne trdine, ki znaša le polovi‐ co vrednosti koeficienta pri jeklu. Material obdelovanca, ki se privari na orodje kot nalepek, se ob ohlajanju krči bolj kot orodni material, zato je ta izpostavljen nateznim napetostim ter posle‐ dično nastanku razpok, lomu in krušenju roba (Slika 8:8).

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 87

Slika 8:8 Nalepek povzroča adhezijsko obrabo med odrezavanjem.

Difuzijska obraba orodja (Slika 8:9) je zelo odvisna od temperature. V temperaturnem območju 800–1100 °C se obdelovani material intenzivno deformira in se zlahka oblikuje popoln stik med rezalnim robom in odrezki. Zaradi velikega gradienta koncentracij med obdelovanim in rezalnim materialom se ustvarijo ugodne razmere za difuzijo.

Slika 8:9 Primer difuzije med procesom odrezavanja. Ob afiniteti med legirnimi elementi v rezalnem in obdelovanem materialu ter pri pravi temperaturi je možna difuzija.

8.4 Nadzorovana obraba orodja Pri zagotavljanju varne, predvidljive in nadzorovane obrabe rezalnega roba težimo k točno dolo‐ čenim vzorcem obrabe. Prednost imajo štirje vzorci, ki so prikazani na Sliki 8:10: obraba proste ploskve, obraba v obliki kotanje, zarezna obraba na glavnem in pomožnem rezalnem robu ter plastične deformacije. Ti vzorci omogočajo zanesljivo napovedovanje stopnje obrabe in obstoj‐ nosti orodja, s tem pa je tlakovana pot k učinkovitosti celotnega procesa odrezavanja, tudi z ekonomskega vidika.

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 88

Slika 8:10 Štiri osnovne vrste obrabe, ki jih dopuščamo za zanesljiv, nadzorovan in predvidljiv proces odrezavanja ter obstojnost rezalnega roba

Pri analizi obrabljanja orodja je pomembno, da delamo z nadzorovanimi in predvidljivimi vzorci obrabe. Če opazimo nepričakovano poslabšanje zaradi nenadnih dogodkov, kot so lom orodja, močno krušenje rezalnega roba ali intenzivno luščenje, moramo najprej spremeniti parametre rezalnega procesa tako, da se vsi nepredvidljivi pojavi zmanjšajo na najmanjšo možno mero. Šele nato nadaljujemo analizo in vrednotenje.

Pri analizi obrabe orodja se v praksi srečujemo z različnimi oblikami obrabe. Pomembno je, da ločujemo med sprejemljivo in nesprejemljivo obrabo ter da svojo pozornost usmerimo na prave stvari. Poiskati moramo glavne vzroke nesprejemljivih vzorcev obrabe in ugotoviti, kako jih bo‐ mo odpravili, da bi zmanjšali nenadzorovano in nepredvidljivo obrabo. Glavni cilj pri sprejemlji‐ vih vzorcih obrabe je vzpostavitev ravnovesja med ekonomiko in učinkovitostjo proizvodnje.

Med sprejemljive vzorce obrabe spadajo obraba proste ploskve (in v nekaterih primerih zarezna obraba), obraba v obliki kotanje in, odvisno od aplikacije, v določeni meri tudi krušenje, medtem ko se moramo lomu v kakršnikoli obliki izogibati in ga zmanjšati na najmanjšo možno mero. V praksi imamo včasih opravka tudi z nedoločljivimi vzorci obrabe, ki so videti kot kombinacija raz‐ ličnih vrst obrabe. V takih primerih moramo poiskati najpomembnejši mehanizem obrabe in se posvetiti vzorcu, ki najbolj škodi obstojnosti orodja.

Ključno in eno od najtežjih vprašanj na področju obdelave z odrezavanjem je, koliko obrabe ka‐ kršnekoli vrste naj dovolimo, preden zamenjamo rezalni rob. Dalj ko režemo z enim rezalnim robom, večja je stroškovna učinkovitost. Po drugi strani pa se poveča tudi tveganje nepričakova‐ nih lomov, ki ogrožajo zanesljivost celotnega procesa, povzročajo zavrnitve obdelovancev v kon‐ troli in podaljšajo neproduktivni čas stroja.

Na Sliki 8:12 je prikazan značilen primer obrabe proste ploskve. Večja ko je izbrana največja do‐ voljena obraba (vodoravna os), večje je tveganje zgodnjega loma (navpična os). Iščemo torej kompromis med največjo obstojnostjo orodja, ki je opredeljena z največjo dovoljeno obrabo proste ploskve, in zanesljivostjo procesa, ki je opredeljena s tveganjem prezgodnjega loma. Z uporabo orodja do izteka maksimalne obstojnosti vedno ogrožamo zanesljivost, kar še posebej velja za sodobne rezalne materiale s prevlekami. Dokler je prevleka na svojem mestu in dobro opravlja svojo nalogo, na rezalnem robu ne opazimo nobenih zunanjih znakov obrabe. Ko se prevleka odrgne, pa se rezalni rob hitro obrabi in skrha.

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 89

Slika 8:11 Orodje se v idealnem primeru obrablja postopoma s kombinacijo kotanjaste obrabe in obrabe proste ploskve. Bodite pozorni, ali niso morda prisotni tudi drugi vzorci obrabe (v tem primeru toplotne razpoke in nalepek).

Slika 8:12 Primer odvisnosti med največjo dovoljeno obrabo in tveganjem prezgodnjega loma rezalnega roba

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 90

Neuporabljen rezalni rob

Obraba proste ploskve

Zarezna obraba

Nedoločena obraba

Kotanjasta obraba

Zlom

Krušenje

Slika 8:13 V praktični analizi obrabe orodja ugotavljamo načine obrabljanja rezalnih robov in predpišemo ustrezne ukrepe za optimalen proces.

8.5 Vpliv izbire orodja na obrabo Lastnosti rezalnega roba imajo pomembno vlogo pri analizi obrabe orodij za odrezavanje kovin.

Pri preiskavah obrabe se tradicionalno posvečamo predvsem rezalnemu materialu, sposobnost rezalnega roba, da vzdrži različne vrste obrabe, pa je odvisna tudi od rezalne geometrije. To še posebej velja za naloge, ki zahtevajo večjo žilavost in odpornost proti plastičnim deformacijam.

Slika 8:14 Vpliv rezalnega materiala in rezalne geometrije na obrabo ter obstojnost rezalnega roba proti obrabi in slabšanju

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 91

Po tradicionalnem pristopu mora rezalni material zagotavljati naslednje lastnosti: ‐ žilavost proti lomu rezalnega roba, ‐ odpornost proti obrabi in trdoto proti abrazivni obrabi, ‐ trdoto v vročem za ohranitev lastnosti, kot je odpornost proti obrabi tudi pri povišanih temperaturah.

Podrobne raziskave so pokazale, da sta obraba in obstojnost orodja odvisni tudi od nekaterih drugih lastnosti rezalnega materiala. Glavno vlogo igra pet lastnosti: odpornost proti obrabi, od‐ pornost proti krušenju, odpornost proti lomu, toplotna obstojnost in kemična odpornost. ‐ Odpornost proti obrabi pomeni obstojnost rezalnega materiala proti abrazivni in erozijski obrabi. ‐ Odpornost proti krušenju pove več kot samo splošna žilavost rezalnega materiala, ki jo po‐ vezujemo z odpornostjo proti lomu. Pri odpornosti proti krušenju gre za odpornost proti na‐ stajanju razpok in posledičnemu krušenju rezalnega materiala, opisuje torej njegovo struk‐ turno trdnost. ‐ Toplotna obstojnost rezalnega materiala je klasična trdota v vročem, vendar opredeljena nekoliko širše. Medtem ko se trdota v vročem osredotoča le na trdoto rezalnega materiala pri povišani temperaturi, upošteva toplotna obstojnost tudi obstojnost proti difuziji pri po‐ višani temperaturi. ‐ Kemična odpornost (ki je še vedno predmet temeljnih raziskav) pomeni odpornost rezalnih materialov proti kemičnim reakcijam z obdelovanim materialom. Upoštevamo npr. legirne elemente v obdelovanem materialu in kristalno strukturo.

Za trdnost rezalnega roba in njegovo odpornost proti različnim vrstam obrabe je pomembna re‐ zalna geometrija, ki jo sestavljata makrogeometrija (cepilni kot, prosti kot, geometrija cepilne ploskve) in mikrogeometrija (dejanska geometrija rezalnega roba).

Poglobljena razprava o različnih elementih geometrije, ki določajo dejansko trdnost rezalnega roba, sposobnost rezanja v določenih okoliščinah in vedenje pod vplivom različnih obremenitev, bi presegla okvir tega učbenika. Velja pa načelo, da je vsak rezalni rob bodisi oster bodisi močan.

Oster rezalni rob omogoča prosto odrezavanje z vsemi prednostmi, ni pa močan in odporen pro‐ ti lomu, krušenju ali plastičnim deformacijam. Močan rezalni rob se vede prav nasprotno – je zelo odporen proti vsem vrstam loma, toda sam proces odrezavanja poteka manj lahkotno.

Na proces odrezavanja lahko dejavno vplivamo tako, da prilagodimo rezalno geometrijo. Izbira novega rezalnega materiala z drugačnimi lastnostmi je pasivnejši ukrep – nov rezalni material bo prenašal obremenitve rezalnega roba bolje ali slabše, na same obremenitve pa ne bo vplival.

8.6 Taylorjev model obstojnosti orodja Če pri izbranem rezalnem orodju in dani nalogi obdelave preučimo relacije med pogoji pri odre‐ zavanju in obrabo na rezalnem robu, ugotovimo, da ima največji vpliv na obrabo rezalna hitrost, manjši je vpliv podajanja in najmanjši vpliv globine reza. Majhen vpliv globine reza lahko poja‐ snimo z dejstvom, da s povečevanjem globine reza reže vse večji del rezalnega roba, obremeni‐ tve na enoto dolžine rezalnega roba pa ostanejo približno enake. Če povečamo podajanje in re‐ zalno hitrost, pa se poveča tudi obremenitev na enoto dolžine rezalnega roba, kar privede do pospešenega obrabljanja in manjše obstojnosti orodja.

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 92

Slika 8:15 Vpliv rezalnih parametrov na hitrost obrabljanja orodja

Taylor je podrobno preučil odnos med obrabo proste ploskve in obstojnostjo orodja, prikazan na Sliki 8:7. Raziskal je razvoj obrabe proste ploskve kot funkcijo časa pri različnih rezalnih hitrostih in na podlagi tega sestavil diagram na Sliki 8:17. Rezalni rob je skrhan, ko je dosežena določena obraba proste ploskve. Pripadajočo obstojnost orodja lahko tedaj odčitamo na osi y. Razmerje med rezalno hitrostjo vc in obstojnostjo orodja T prikazuje diagram v dvojno logaritmičnem ko‐ ordinatnem sistemu na Sliki 8:17. Linearen približek krivulje skozi merilne točke je osnova za poenostavljeno Taylorjevo enačbo:

V enačbi sta m in CT Taylorjevi konstanti. Konstanta CT je teoretična rezalna hitrost, pri kateri bi obstojnost orodja znašala 1 minuto.

Slika 8:16 prikazuje diagram krivulje celotne obrabe, pri čemer za linearni del krivulje velja Taylorjeva enačba. Enako obstojnost orodja dosežemo pri treh različnih rezalnih hitrostih. Manj‐ ša obstojnost orodja v delu krivulje pri manjših rezalnih hitrostih velja za območje nalepka, kjer prihaja do adhezijske obrabe, medtem ko se približno linearni del krivulje nanaša na prosto ob‐ delavo. Taylorjeva enačba za območje nalepka ne velja.

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 93

Slika 8:16 Taylorjev model in meje njegove uporabnosti

Zavedati se moramo, da je zveza med obstojnostjo orodja in rezalno hitrostjo, ki jo opisuje Taylorjev model, le del celotne slike. Pri majhnih rezalnih hitrostih in podajanju so glavni vzorci obrabe povezani z nalepkom na rezalnem robu, ki negativno vpliva na obstojnost orodja. Če so na drugi strani rezalne hitrosti zelo velike, pa je rezalni rob tako toplotno obremenjen, da posta‐ nejo glavni mehanizmi slabšanja orodja difuzijska obraba in plastične deformacije. Pri uporabi Taylorjevega modela moramo upoštevati njegove omejitve. Če so izbrani rezalni parametri zunaj teh meja, je treba osnovni Taylorjev model ustrezno prilagoditi.

Slika 8:17 Taylorjev model obstojnosti orodja na osnovi obrabe

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 94

Razširjeni Taylorjev model Osnovni Taylorjev model opisuje relacijo med obstojnostjo orodja in rezalno hitrostjo pri kon‐ stantni globini reza in podajanju. V razširjeni Taylorjev model so vključeni vsi trije rezalni para‐ metri kot spremenljivke, ki vplivajo na obstojnost orodja. Oglejmo si razširjeni Taylorjev model na Sliki 8:19 in kaj se zgodi, ko spremenimo rezalne parametre: ‐ Ob povečanju globine reza se poveča obraba na časovno enoto, vendar sprememba v resni‐ ci ni velika. Sledi ugotovitev, da velika globina reza ne povzroči večjega zmanjšanja obstoj‐ nosti orodja. ‐ Sprememba podajanja ima večji vpliv na obrabo v časovni enoti. Obstojnost orodja se bolj zmanjša zaradi povečanja podajanja kot zaradi povečanja globine reza. ‐ Sprememba rezalne hitrosti občutno vpliva na obrabo v časovni enoti. Če povečamo rezalno hitrost, da bi npr. izboljšali produktivnost obdelave, se istočasno drastično skrajša obstoj‐ nost orodja, s tem pa se tudi zelo povečajo stroški orodja.

Te ugotovitve so zbrane v diagramu na Sliki 8:18 (na navpični osi je obstojnost orodja in na vo‐ doravni osi rezalni parametri). Že majhna sprememba rezalne hitrosti zelo vpliva na obstojnost orodja. Vpliv podajanja je manj izražen, vpliv globine reza pa je praktično zanemarljiv.

Rumena linija na Sliki 8:18 predstavlja vpliv povečanja dovoljene obrabe orodja na obstojnost orodja. Iščemo ravno pravo maksimalno obrabo, ki izboljša učinkovitost rezalnega roba, obenem pa ne ogrozi zanesljivosti procesa. Večja maksimalna obraba je namreč povezana tudi s poveča‐ nim tveganjem zgodnjega loma rezalnega roba.

Slika 8:18 Taylorjev model vpliva rezalnih parametrov in kriterija obrabe na obstojnost orodja

Opažanja lahko združimo v en model, ki ga imenujemo razširjeni Taylorjev model in je prikazan v obliki enačbe na Sliki 8:19.

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 95

∙ ∙

∙

Povečanje za 10 % zmanjša obstojnost orodja za ap 5% f 20 % vc 50 % Slika 8:19 Formula Taylorjevega razširjenega modela in nekaj izkustvenih vrednosti

T v tej enačbi pomeni obstojnost orodja (v minutah), VB je največja dovoljena vrednost izbrane‐ ga vzorca obrabe, h (h1) je debelina odrezka (podajanje pri κr = 90o), b (b1) širina odrezka (globi‐ na reza pri κr = 90o) in vc rezalna hitrost. CTVB, n, m, p in q so Taylorjeve konstante. Odvisne so od vrste operacije, izbranega vzorca obrabe, materiala obdelovanca in rezalnega orodja (rezalni material in rezalna geometrija). Značilne vrednosti Taylorjevih konstant za struženje malolegira‐ nega jekla z orodjem s prevleko P20 so: ‐ m = 0,4–0,1 (povprečno 0,25 za karbidno trdino), ‐ p = 0,1–0,8 (povprečno 0,4 za karbidno trdino), ‐ q = 0,08–0,15 (povprečno 0,1 za karbidno trdino), ‐ n = 0,45 (za karbidno trdino).

Slika 8:19 predstavlja bolj pragmatično različico Taylorjevega modela. Preglednica prikazuje vpliv sprememb rezalnih parametrov na obstojnost, ki pa velja samo znotraj prej omenjenih okvirjev.

8.7 Coldingov model obstojnosti orodja Razširjeni Taylorjev model je dobra osnova za določanje obstojnosti orodja, pri njegovi uporabi pa moramo upoštevati nekaj omejitev. Prva omejitev je, da je model uporaben le, ko je glavni mehanizem obrabe abrazivna obraba. Druga omejitev: čeprav Taylorjev model vključuje vplive vseh rezalnih parametrov na obstojnost orodja, je potrebna določena previdnost pri interpreta‐ ciji rezultatov, če istočasno spremenimo več rezalnih parametrov. Tretja pomembna omejitev veljavnosti modela pa je, da konica orodja ne sme rezati.

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 96

Slika 8:20 Woxénov model ekvivalentne debeline odrezka (konica orodja reže)

Pri modeliranju vpliva radija zaokrožitve za določanje obstojnosti orodja se je kot zelo uporaben izkazal model ekvivalentne debeline odrezka, ki ga je predlagal Woxén3 (Slika 8:20). Površino odrezka A lahko približno izračunamo kot zmnožek ap × f. Napaka te poenostavitve včasih ni za‐ nemarljiva in Woxén je za take primere vpeljal ekvivalentno debelino odrezka he, ki jo izračuna‐ mo po formuli:

he 

ap  f A  f lb a p  r (1  cos  r )   r  r  sin  r 2

Slika 8:21 Formula za ekvivalentno debelino odrezka po Woxénu (konica orodja reže)

A = Ae je površina odrezka (ap × f) in l = be je delovna dolžina rezalnega roba. Ekvivalentna debe‐ lina odrezka he opisuje teoretično povprečno debelino odrezka po celotni aktivni dolžini rezalne‐ ga roba. Woxénov model izravna zaokrožitev konice tako, da odrezek lahko opišemo kot pravo‐ kotnik, Slika 8:20.

Ekvivalentna debelina odrezka he se pogosto uporablja pri odrezavanju z majhno globino reza ap in velikim radijem konice ter je priporočljiva pri ocenjevanju poškodb in obrabe rezalnega roba na konici rezalnega orodja. Za poškodbe glavnega rezalnega roba je relevantna predvsem najve‐ čja debelina odrezka.

Pri preučevanju možnosti uporabe Taylorjevega modela za vrednotenje kombiniranega vpliva ekvivalentne debeline odrezka (podajanja) in rezalne hitrosti (Slika 8:22) na obstojnost orodja ugotovimo, da se s spremembo ekvivalentne debeline odrezka spremeni relacija med obstojnos‐ tjo orodja in rezalno hitrostjo (položaj in naklon Taylorjeve linije na Sliki 8:22). Če se ekvivalent‐ na debelina odrezka poveča, moramo za ohranitev obstojnosti orodja zmanjšati rezalno hitrost.

Večja ko je ekvivalentna debelina odrezka, večji je tudi relativen vpliv rezalne hitrosti na obstoj‐ nost orodja.

3

Woxén R, Theory and an Equation for the Life of Lathe Tools, Ingenjörsvetenskapsakademin, Handling 119, Stock‐ holm, 1932.

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 97

Slika 8:22 Taylorjev model za določanje obstojnosti orodja (kombiniran vpliv debeline odrezka in rezalne hitrosti) (polna rdeča linija predstavlja povezavo med obstojnostjo orodja in rezalno hitrostjo pri referenčni debelini odrezka)

Colding4 je na podlagi teh ugotovitev in številnih eksperimentov postavil model za določanje ob‐ stojnosti orodja z devetimi konstantami, ki se osredotoča na kombiniran vpliv ekvivalentne de‐ beline odrezka po Woxénu in rezalne hitrosti (glejte Sliko 8:24). Model so pozneje izboljšali, tako da je postal bolj praktičen.5 Colding je zapisal formulo na Sliki 8:23, ki za dano kombinacijo rezalnega orodja in obdelovanca opisuje razmerje med obstojnostjo orodja T, rezalno hitrostjo vc in ekvivalentno debelino odrez‐ ka he. Formula zgolj opisuje potek krivulje skozi merilne točke in ni jasno povezana z mehanizmi obrabe, ki povzročajo krhanje rezalnega orodja. Uporaba modela zunaj intervala rezalnih para‐ metrov, kjer so merilne točke, zahteva ustrezno previdnost.

Coldingova enačba v povezavi z eksperimentalnimi podatki se uporablja za opisovanje procesov obrabe, kjer prevladuje samo eden od mehanizmov obrabe. Kjer igrata glavno vlogo dva ali več mehanizmov, lahko napovedi modela odstopajo od dejanskih rezultatov.

Pri rezalnem orodju, ki je izpostavljeno delovanju več mehanizmov obrabe hkrati, lahko za krite‐ rij splošne obrabe uporabimo obrabo proste ploskve ali kotanjasto obrabo, alternativni kriterij obrabe pa je lahko tudi popolni zlom. Vsi našteti kriteriji so funkcije he. Uporaba kriterija obrabe katerekoli vrste ne jamči, da se bodo isti mehanizem oz. mehanizmi obrabe pojavljali v celotnem območju rezalnih parametrov, ki ga določajo merilne točke. Pri delu z modelom moramo zato biti previdni.

vc  e

(ln(he ) H )2 K ( NO Lln(he ))ln(T ) 4M

Slika 8:23 Coldingova formula za določanje obstojnosti orodja

V Coldingovi formuli je pet konstant (K, H, M, N0, L), za določitev njihovih vrednosti pa je po‐ trebnih vsaj pet ločenih študij. V spodnji preglednici so podane vrednosti Coldingovih konstant 4

Colding Bertil N., A Wear Relationship for Turning, Milling and Grinding Machining Economics, Institutionen för mekanisk teknologi, KTH, Stockholm, 1959.

5 Colding (Boston, 2009), »Po več poskusih je bila l. 1979 končno razvita splošna in zadovoljiva enačba, ki je bila ob‐ javljena na 9. konferenci NAMRC, str. 37 […], 1981”.

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 98

za različne obdelovane materiale pri različnih rezalnih parametrih. Za vsako obdelavo je bilo uporabljeno primerno orodje. Hägglund6 je nadaljeval z raziskavami možnosti uporabe Coldin‐ gove formule in jo prilagodil za različne naloge.

Preglednica podaja primere Coldingovih konstant, pridobljenih v preizkusih z različnimi obdelovanimi materiali. V stolpcu n je število preizkusov, εnapaka pa je povprečno odstopanje izračunane od dejanske rezalne hitrosti. Vrednosti se nanašajo samo na izbrano karbidno kvaliteto in če bi delali z drugo kvaliteto, bi se vrednosti spremenile.

Material

K

H

M

N0

L

n εnapaka [ %]

AISI 1045

6,7368 –2,5956 1,7501 0,3080 –0,0500 8

2,5

AISI 4140

6,2055 –1,3551 0,3525 0,3281 –0,0975 9

1,1

AISI 4340

5,8150 –1,6918 0,4568 0,4704 –0,2164 5

1,0

SAF 2507

5,4645 –3,1904 3,6684 0,2999 –0,0500 5

1,9

Zlitina 718 5,2850 –2,9402 0,5898 0,5006 –0,0404 6

4,2

Slabost Coldingovega modela je v zahtevi, da mora biti kriterij obrabe konstanten, kar je pri pro‐ cesih obdelave z odrezavanjem težko izpolniti. Težavi se lahko izognemo na več načinov, na pri‐ mer z ekstrapolacijo obstojnosti orodja na primere, kadar kriterij obrabe še ni dosežen ali pa je že presežen. Drugi in boljši pristop je stalno merjenje rezalnih sil in prekinitev preizkusa, kadar rezalne sile ustrezajo kriteriju obrabe.

Oglejmo si podrobneje relacijo med ekvivalentno debelino odrezka, rezalno hitrostjo in obstoj‐ nostjo orodja po Coldingu (Slika 8:24). Čeprav bi pričakovali, da lahko z zmanjševanjem ekviva‐ lentne debeline odrezka brez omejitev povečujemo rezalno hitrost in ohranimo obstojnost orod‐ ja, moramo za to pod določeno kritično ekvivalentno debelino odrezka spet začeti zmanjševati tudi rezalno hitrost.

Slika 8:24 Coldingov model za določanje obstojnosti orodja s kombiniranim vplivom ekvivalentne debeline odrezkov (he) in rezalne hitrosti (vc). Rdeča linija predstavlja konstantno obstojnost orodja.

Obstaja več fizikalnih razlag tega pojava, od katerih sta dve še posebej pomembni za odrezavanje materialov iz skupin ISO M (nerjavna jekla) in ISO S (superzlitine in titanove zlitine).

Obema skupinama materialov je skupno to, da med odrezavanjem nastaja več toplote, ki jo je 6

Hägglund S. Methods and Models for Cutting Data Optimization. Göteburg: oddelek za materiale in proizvodno tehnologijo, Chalmers, 2013.

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 99

težko odstraniti z odrezki, materiali pa so nagnjeni tudi k deformacijskemu utrjevanju. Uporaba kritične ekvivalentne debeline odrezkov za te skupine materialov zato zahteva tehten premislek.

Prva možna razlaga za obstoj kritične ekvivalentne debeline odrezkov je, da se z zmanjševanjem ekvivalentne debeline odrezkov zmanjšuje tudi količina materiala v odrezkih, ki s seboj odnašajo toploto. Tako ostane več toplote v coni rezanja, temperatura se poviša in zaradi toplotnih učinkov se zmanjša obstojnost orodja. Če želimo ohraniti konstantno obstojnost orodja, moramo zato omejiti razvoj toplote med procesom, npr. z zmanjšanjem rezalne hitrosti.

Po drugi razlagi se s približevanjem ekvivalentne debeline odrezka minimalni teoretični debelini odrezka h1min, ki je potrebna za učinkovito odrezavanje, tako povečajo celotne obremenitve rezalnega roba, da se občutno zmanjša obstojnost orodja. Te učinke lahko kompenziramo z zmanjšanjem rezalne hitrosti in ohranimo konstantno obstojnost orodja.

Pri odrezavanju kovin obstaja spodnja meja teoretične debeline odrezkov h1 = h1min, kjer še delu‐ je proces tvorbe odrezkov. Ta spodnja meja h1min je odvisna predvsem od radija roba rβ rezalne‐ ga orodja. Kot je razvidno s Slike 8.25, je pri prevelikih vrednostih radija roba glede na debelino odrezka h1 cepilni kot γe (efektivni cepilni kot) zelo negativen. Taka geometrija ovira razvoj stag‐ nacijske cone, ki je nujna za ločevanje materiala od obdelovanca. Odrezavanje brez stagnacijske cone je možno le v posebnih okoliščinah, npr. pri obdelavi krhkih materialov. Obdelavo, kjer niso bili izpolnjeni pogoji za oblikovanje stagnacijske cone, ponazarja primer d) na Sliki 8.25. Pri tak‐ šni obdelavi se površina obdelovanca zgolj deformira, odrezki pa se ne oblikujejo in ne pride do ločevanja materiala, kot je ponazorjeno tudi v simulaciji po metodi končnih elementov na Sliki 8.26.

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 100

Slika 8.25 Delovanje procesa odrezavanja pri različnih kombinacijah radija roba r in teoretične debeline odrezka h1.

Za vsak primer je ocenjen tudi reprezentativni cepilni kot γe.

Slika 8.26 Simulacija po MKE minimalne debeline odrezkov h1min pri obdelavi materiala AISI 4140

Na Sliki 8.27 so predstavljene ocene minimalne teoretične debeline odrezkov h1min za različne radije roba pri neprekinjenem vzdolžnem struženju treh različnih vrst jekla.

V praksi se je izkazalo, da pri mnogih obdelovalnih operacijah lahko dosežemo zadovoljive rezul‐ tate tudi pri vrednostih h1 pod 50 % radija roba. Tedaj se oblikuje stabilen nalepek, ki deluje kot _____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 101

umeten rezalni rob iz deformiranega in utrjenega obdelovanega materiala. Tak nalepek, ki na‐ stane v stagnacijskih conah, ima lahko radij, ki je manjši od radija roba orodja rβ. Nalepek se oblikuje predvsem pri obdelavi materialov, ki so nagnjeni k deformacijskemu utrjevanju, in pri nizkih temperaturah, ki ne dopuščajo normalizacije obdelovanega materiala.

0.10

h1min [mm]

0.08

0.06

0.04 G B A

0.02

0.00 20

40

60

80

100

120

140

rm]

Slika 8.27 Odvisnost minimalne teoretične debeline odrezka h1min [mm] od radija roba rβ [μm] pri obdelavi treh različnih vrst jekla: A = AISI 316L, B = AISI4140 in G = DIN St 52‐3

Osnovni pogoji za uspešen proces odrezavanja izginejo, ko teoretična debelina odrezkov doseže kritično vrednost h1min. Obdelovani material se le še plastično deformira, odrezki pa ne nastajajo več.

Z nadaljnjo analizo (Slika 8:28) Coldingovega modela ugotovimo nekaj zanimivih vrednosti ekvi‐ valentne debeline odrezka: ‐ Kritična ekvivalentna debelina odrezka je opisana zgoraj. ‐ Bolj ko se ekvivalentna debelina odrezkov odmika od območja, v katerem so bili opravljeni preizkusi, manj zanesljiv je model. V tem primeru je nujna previdnost pri interpretaciji rezul‐ tatov modela za napovedovanje obstojnosti orodja. ‐ Za nas je zanimiva ekvivalentna debelina odrezka v kombinaciji z ustrezno rezalno hitrostjo, ki zagotavlja maksimalno produktivnost procesa. Pri kritični ekvivalentni debelini odrezka v kombinaciji s pravo rezalno hitrostjo dobimo določeno produktivnost procesa. Če zdaj po‐ večamo ekvivalentno debelino odrezka, se poveča tudi produktivnost procesa. Ker moramo obenem zmanjšati rezalno hitrost, da bi ohranili konstantno obstojnost orodja, to zmanjša‐ nje negativno vpliva na produktivnost. Zmanjšanje produktivnosti zaradi manjše rezalne hi‐ trosti je manjše od povečanja produktivnosti zaradi večje ekvivalentne debeline odrezka in končni rezultat je izboljšana produktivnost. Od določene ekvivalentne debeline odrezkov naprej pa postane zmanjšanje produktivnosti iz naslova manjše rezalne hitrosti večje od po‐ večanja produktivnosti zaradi večje ekvivalentne debeline odrezkov in produktivnost začne padati. Točka prehoda med povečevanjem in zmanjševanjem produktivnosti v originalnem Coldingovem modelu se imenuje ekvivalentna debelina odrezka za maksimalno produktivnost.

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 102

Slika 8:28 Coldingov model za določanje obstojnosti orodja s kombiniranim vplivom ekvivalentne debeline odrezkov in rezalne hitrosti. Rdeča linija predstavlja konstantno obstojnost orodja. Označeni sta kritična ekvivalentna debeli‐ na odrezkov in ekvivalentna debelina odrezkov za največjo produktivnost.

Slika 8:29 prikazuje, kako si pri kvantitativni in kvalitativni oceni vpliva lastnosti obdelovanega materiala, lastnosti rezalnega orodja in rezalnih parametrov na obstojnost orodja lahko poma‐ gamo s Coldingovim modelom. Ključni element tega modela je uporaba ekvivalentne debeline odrezka, s katero zajamemo vplive nastavnega kota, radija konice orodja, podajanja in globine reza.

Slika 8:29 Coldingov model za določanje obstojnosti orodja v odvisnosti od obdelovanega materiala, rezalnega orodja, rezalnih parametrov in kriterija obrabe (D. Johansson, Univerza v Lundu)

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 103

Coldingov model je naprej razvijal Hägglund5 in na slikah 8:30 in 8:31 je nekaj njegovih interpre‐ tacij in prilagoditev modela. Če Coldingov model povežemo z vprašanji ekonomike proizvodnje (Slika 8:30), lahko pridemo do več zanimivih ugotovitev: ‐ Colding je uvedel liniji H in G, ki povezujeta kritične ekvivalentne debeline odrezkov oz. ekvi‐ valentne debeline odrezkov za maksimalno produktivnost na različnih krivuljah obstojnosti orodja. ‐ Linija I povezuje ekvivalentne debeline odrezkov za najmanjše proizvodne stroške na različnih krivuljah obstojnosti orodja. Proizvodni stroški so opredeljeni kot stroški obdelovalnega stro‐ ja, orodja in obračanja rezalnih ploščic. ‐ Na linijah G in I sta točki obstojnosti orodja, ki sta optimalni glede na najmanjše proizvodne stroške oz. maksimalno produktivnost. Ko se od teh točk odmikamo, se povečujejo proizvodni stroški oz. se zmanjšuje produktivnost obdelave.

Slika 8:30 Coldingov model za določanje obstojnosti orodja pri kombiniranem vplivu debeline odrezkov in rezalne hitrosti. Označene so tudi Hägglundove linije.

Iz diagrama izhaja tudi več tehnološko zanimivih ugotovitev (Slika 8:31): ‐ Colding je z enim modelom (eno formulo s petimi konstantami) opisal določeno območje

kombinacij ekvivalentne debeline odrezkov in rezalnih hitrosti ter njihov vpliv na obstojnost orodja. Kot smo že omenili, za kriterij v tem modelu ne jemljemo samo enega mehanizma obrabe orodja. Lahko jih upoštevamo več, za referenčni kriterij pa uporabimo prevladujoči način obrabe. ‐ Za odrezke pod kritično ekvivalentno debelino lahko uporabimo več pristopov: o Osnovni model predvideva isto formulo na obeh straneh kritične ekvivalentne debeline odrezka. Takšne napovedi niso zanesljive oziroma so diskutabilne (glejte možnost C na Sli‐ ki 8:31). o Po tradicionalnem pristopu (možnost A na Sliki 8:31) je rezalna hitrost levo od kritične ekvivalentne debeline odrezka konstantna. Rezultati so zadovoljivi za tradicionalna jekla, za skupini materialov ISO S in ISO M pa je tak pristop zelo vprašljiv.

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 104

o Boljši je Hägglundov pristop (možnost B na Sliki 8:31): na vsaki strani kritične ekvivalentne debeline odrezkov uporabimo drug model, ki upošteva glavni mehanizem obrabe. Pristop daje dobre rezultate za vse skupine materialov.

Slika 8:31 Coldingov model za določanje obstojnosti orodja pri kombiniranem vplivu debeline odrezkov in rezalne hitrosti. Označena je Hägglundova korektura.

Slika 8:32 Primer Coldingovega modela za ocenjevanje različnih rezalnih materialov

Slika 8:32 prikazuje uporabo Coldingovega modela za ocenjevanje treh različnih karbidnih kvali‐ tet. Vedenje kvalitet v določenem območju ekvivalentne debeline odrezkov je zelo podobno (približno tam, kjer daje dobre rezultate tudi Taylorjev model), zunaj tega območja pa so med _____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 105

njimi opazne razlike. Z ocenjevanjem po Coldingu dobimo boljše rezultate, kot če bi uporabljali samo Taylorjev model.

Uporaba opisanih modelov v praksi zaradi kompleksne matematike ni samo po sebi umevna.

Staromodno računanje s svinčnikom in papirjem ne pride v poštev, ker bi bilo prezahtevno in prezamudno. Modele je najlažje spraviti v prakso z orodji, kot je program Seco Suggest.

Slika 8:33 Računanje modelov za določanje obstojnosti orodja s svinčnikom in papirjem bi bilo zelo zamudno in prezahtevno. Z orodji, kot je program Seco Suggest, je te modele veliko lažje uporabljati v praksi.

Frederick Taylor, 1907

Ragnar Woxén, 1960

Bertil Colding, 2009

8.8 Pregled osnovnih vrst obrabe pri odrezavanju kovin V nadaljevanju je podan pregled najpogostejših vzorcev obrabe rezalnih orodij. Za vsakega od njih je naštetih tudi nekaj ukrepov za preprečitev ali vsaj zmanjšanje obrabe. _____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 106

Najbolj zaželena je obraba proste ploskve, ker jo je mogoče zanesljivo napovedovati. Težavo lahko predstavlja prehitra obraba proste ploskve, ki je na videz enaka klasični obrabi proste ploskve.

Glavna povzročitelja obrabe proste ploskve pri manjših rezalnih hitrostih sta abrazija in erozija.

Trdi mikroskopski vključki karbidov ali deformacijsko utrjeni delci obdelovanega materiala razijo orodje. Delci prevleke se odtrgajo in razijo ploskve orodja. Iz matriksa po določenem času izgine kobalt, karbidna zrna nimajo več zadostne adhezije in se iztrgajo. Glavni povzročitelj obrabe pro‐ ste ploskve pri večjih rezalnih hitrostih je difuzija. Ugodne razmere zanjo nastanejo v povezavi z višjimi temperaturami rezalnega roba.

Obraba proste ploskve je videti kot razmeroma enakomerna odrgnjenost vzdolž rezalnega roba.

Velikost obrabe je včasih navidezno pretirana zaradi kovine obdelovanca, ki se razmaže po re‐ zalnem robu. Obraba ploščic Duratomic je črna in gladka, druge ploščice pa imajo svetleče odr‐ gnine. Obrabo proste ploskve lahko pričakujemo pri vseh materialih in je običajno vzrok za od‐ poved rezalnega roba, če do nje ne pride že prej zaradi katere druge vrste obrabe.

Ukrepi za zmanjšanje obrabe na prosti ploskvi so zmanjšanje rezalne hitrosti (včasih pomaga tu‐ di povečano podajanje), izbira trde, proti obrabi obstojnejše karbidne kvalitete in pravilna upo‐ raba hladilnega sredstva.

Slika 8:34 Obraba na prosti ploskvi orodja

Obraba v obliki kotanje je kombinacija difuzije, razgradnje (pri večjih rezalnih hitrostih) in abra‐ zivne obrabe (pri manjših rezalnih hitrostih). Toplota iz odrezkov razgradi zrna volframovega karbida v substratu in ogljik difundira v odrezke, zaradi česar se na cepilni ploskvi ploščice obli‐ kuje kotanja. Ko se kotanja dovolj poveča, se okruši ploskev ploščice ali nastopi hitra obraba ploskve.

Obraba v obliki kotanje ali jamic nastane na cepilni ploskvi ploščice, najpogosteje pri obdelavi abrazivnih materialov ali obdelovancev s trdo površino.

Obrabi v obliki kotanje se lahko izognemo z debelimi plastmi aluminijevega oksida v prevleki, z uporabo hladilne tekočine, s prosto rezalno geometrijo za zmanjšanje razvoja toplote ali z zmanjšanjem rezalne hitrosti in podajanja.

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 107

Slika 8:35 Obraba orodja v obliki kotanje

Nalepek nastane zaradi adhezije materiala obdelovanca, ki se pod pritiskom privari na rezalni rob. Pogoji za ta pojav so kemična afiniteta, visok tlak in dovolj visoka temperatura v coni reza‐ nja. Nalepek se po določenem času odlomi, odnese s seboj delce rezalnega roba ter tako pov‐ zroči krušenje in hitro obrabo ploskev.

Nalepek prepoznamo kot svetleče delce materiala na rezalnem robu ali na ploskvah, povzroča pa nastanek jamic ali kotanj na cepilni ploskvi, zaradi katerih se rezalni rob na koncu okruši. Pri‐ čakujemo ga lahko pri gumijastih materialih, neželeznih kovinah, superzlitinah, nerjavnih jeklih ter pri obdelavah z majhno rezalno hitrostjo in podajanjem.

Da bi preprečili obrabo zaradi nalepka, lahko povečamo rezalno hitrost in podajanje, izberemo ploščico z ostrejšo geometrijo in bolj gladko cepilno ploskvijo ter pravilno uporabljamo hladilno sredstvo, po potrebi z večjo koncentracijo.

Slika 8:36 Nalepek na orodju

Povzročiteljice krušenja so mehanske nestabilnosti ali razpoke v rezalnem materialu. Krušenje rezalnega roba je pogosto posledica vibracij obdelovanca, obdelovalnega stroja ali orodja. Trdi vključki v površini obdelovanega materiala in rezanje s prekinitvami prav tako lahko povzročijo razpoke in krušenje. Iz okrušenega rezalnega roba se odlomijo majhni delci materiala. S tem po‐ javom se lahko srečamo, če obdelovalni sistem ni dovolj tog, povzroča pa ga tudi obdelava ma‐ terialov s trdimi, npr. izločevalno utrjenimi delci.

Preventivni ukrepi vključujejo pravilno pripravo obdelovalnega stroja in zmanjšanje odklona orodja, izbiro bolj žilave karbidne kvalitete in močnejše geometrije rezalnega roba, zmanjšanje _____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 108

podajanja (zlasti na začetku in na koncu reza) ter povečanje rezalne hitrosti. Glejte tudi ukrepe proti nalepku.

Slika 8:37 Krušenje orodja

Toplotne razpoke nastanejo zaradi kombinacije toplotnih ciklov (spreminjanja temperature re‐ zalnega roba), toplotnih obremenitev (temperaturnih razlik med vročimi in hladnimi predeli re‐ zalnega orodja) in mehanskih udarcev. Vzdolž rezalnega roba se oblikujejo napetostne razpoke, zaradi katerih izstopijo segmenti karbida, in končno pride do krušenja. Toplotne razpoke sreču‐ jemo predvsem pri frezanju in pri struženju s prekinitvami, nastanejo pa lahko tudi zaradi preki‐ njenega toka hladilno‐mazalne tekočine.

Proti toplotnim razpokam se lahko zaščitimo s pravilno uporabo hladilno‐mazalne tekočine, izbi‐ ro bolj žilave karbidne kvalitete, zmanjšanjem rezalne hitrosti in podajanja, z uporabo proste re‐ zalne geometrije za manjše segrevanje in s spremembo tehnike obdelave (razmerje med časom v rezu in zunaj reza).

Slika 8:38 Toplotne razpoke na orodju

Glavni povzročitelj plastičnih deformacij so toplotne preobremenitve: zaradi previsoke tempera‐ ture se zmehča kobalt kot vezivo za karbid. Pritisk na rezalni rob pri mehanskih preobremeni‐ tvah povzroči, da se rezalni rob na konici deformira ali povesi. Rezalni rob se nato odlomi ali pa nastopi hitra obraba ploskev.

Plastične deformacije lahko prepoznamo kot deformiran rezalni rob. Pri tem moramo biti previ‐ dni, saj so na zunaj lahko podobne tudi obrabi proste ploskve. _____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 109

Plastične deformacije so pogoste pri visokih temperaturah med odrezavanjem (zaradi velikih rezalnih hitrosti in podajanja) ter ko je obdelovani material zelo trden (trda jekla, deformacijsko utrjene površine in superzlitine).

Težave s plastičnimi deformacijami lahko odpravimo s pravilno uporabo hladilno‐mazalnega sredstva, z zmanjšanjem rezalne hitrosti in podajanja, izbiro ploščice z večjim radijem konice ter s tršo in odpornejšo karbidno kvaliteto.

Slika 8:39 Plastične deformacije orodja

Zarezno obrabo povzroči površina obdelovanca, ki je trša ali bolj abrazivna kot material pod njo, npr. zaradi utrditve površine med prejšnjimi prehodi (pri materialih, ki se deformacijsko utrjuje‐ jo, kot so nerjavna jekla in superzlitine) ali pri trdi skorji na odkovkih in ulitkih. Rezalni rob se hi‐ treje obrablja v predelu, kjer je v stiku s trdo plastjo. Zarezno obrabo lahko povzročijo tudi lokal‐ ne koncentracije napetosti. Tlačne napetosti se pojavljajo samo v predelu rezalnega roba, ki je v stiku z obdelovancem, zato je rezalni rob še posebej obremenjen v točki neposrednega stika (na liniji globine reza). Med povzročitelji zarezne obrabe so tudi razni udarci, npr. zaradi trdih mi‐ krovključkov v materialu ali kratkih prekinitev.

Za zmanjšanje zarezne obrabe lahko omejimo podajanje in spremenimo globino reza pri obdela‐ vi v več prehodih, zmanjšamo rezalno hitrost pri obdelavi visokotemperaturnih zlitin (pri tem se poveča obraba proste ploskve), izberemo bolj žilavo karbidno kvaliteto, izberemo geometrijo lomilca odrezkov za večje podajanje in preprečimo nalepek, še posebej pri nerjavnih jeklih in toplotno obstojnih zlitinah.

Slika 8:40 Zarezna obraba orodja

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 110

Pri poškodbah zaradi udarcev odrezkov se odrezki navijajo tako, da zadenejo v neuporabljen del rezalnega roba ali neuporabljen rezalni rob. Zaradi udarca se zlomi rezalni rob (ali njegov del), ki ne reže. Tveganje za udarce odrezkov je večje pri operacijah s kombinacijo velikega podajanja in globine reza.

Pojavu se lahko izognemo s spremembo podajanja in globine reza, spremembo nastavnega kota, drugačno geometrijo lomilca odrezkov in bolj žilavo karbidno kvaliteto.

Slika 8:41 Obraba orodja zaradi udarcev odrezkov

V pregledu osnovnih vzorcev obrabe ne smemo izpustiti loma rezalnega roba. Katastrofalni zlom rezalnega roba sam po sebi ni vzorec obrabe, ampak nezaželen in nevaren pojav, povzročimo pa ga lahko z nepremišljeno uporabo orodja. Lom rezalnega roba je znak, da smo z izbiro rezalnih parametrov ustvarili tako velike mehanske obremenitve rezalnega roba, da jih ta ne more vzdr‐ žati. Začeti moramo z manjšimi rezalnimi parametri (globina reza in podajanje) ali z močnejšim rezalnim robom (bolj žilava karbidna kvaliteta ali močnejša geometrija). Druga možnost je, da je rezalni rob oslabljen zaradi enega od prej opisanih mehanizmov obrabe, zato ne vzdrži več obremenitev. Lomu se lahko izognemo s predčasno menjavo rezalnega roba.

Slika 8:42 Lom rezalnega roba

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 111

8.9 Praktične smernice Do zdaj smo se posvečali predvsem vizualnim znakom obrabe orodja. Obrabljanje rezalnega roba pa je povezano tudi z dru‐ gimi pojavi, ki sporočajo, da je čas za menjavo orodja: ‐ Nenaden lom rezalnega orodja seveda ni najbolj zaželen opomin, da je nastopil čas za menjavo rezalnega orodja. Na slabšanje rezalnega roba vpliva cela vrsta dejavnikov in ker ni mogoče nadzorovati prav vseh, lahko v nekaterih prime‐ rih pride do loma rezalnih robov. Če se orodje pogosto lo‐ mi, je treba prekiniti obdelavo in poiskati vzroke. Redno lomljenje orodja je znak za neravnovesje med obremeni‐ tvami in obremenljivostjo orodja, zato zmanjšajte rezalne sile ali izberite močnejši rezalni rob. ‐ Eden najpreprostejših načinov za preverjanje stanja rezal‐ nega roba je preizkus z nohtom. Pri obdelavi se moramo iz‐ ogibati nalepku in krušenju. Tudi če tovrstne obrabe ne prepoznamo z golim očesom, jo zago‐ tovo začutimo z nohtom. ‐ Znak za obrabo orodja je sprememba zvoka med obdelavo. Oster hrup visokih frekvenc spo‐ roča, da pogoji za proces odrezavanja niso najboljši. ‐ Odrezki, ki se jim med obdelavo spremeni oblika ali barva, so lahko znak za spremembo obli‐ ke rezalnega roba, npr. zaradi napredujoče obrabe orodja. ‐ Če se poslabša hrapavost obdelane površine, je morda nastopil čas za menjavo rezalnega ro‐ ba (iztek obstojnosti orodja). ‐ Povečana poraba moči ali vibracije.

8.10 Praktične smernice za struženje Osnovni cilj, ki ga zasledujemo pri tehnološki optimizaciji postopkov struženja, so pravilno obli‐ kovani odrezki (idealno naj bodo spiralne oblike) in obraba proste ploskve kot prevladujoč vzo‐ rec obrabe na rezalnem robu.

Slika 8:43 Optimalno delovanje rezalnega roba

Prvi korak na poti do varnega, nadzorovanega in zanesljivega procesa struženja je kar najboljše oblikovanje in odstranjevanje odrezkov. Idealno je, če so odrezki spiralne oblike. Krajši odrezki povzročajo dodatno krušenje rezalnih robov in zmanjšujejo obstojnost orodja, dolgi odrezki pa ogrožajo nemoten potek struženja in niso varni za operaterja stroja. _____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 112

Slika 8:44 prikazuje različne vrste odrezkov pri struženju in možne protiukrepe. Če se ne odloči‐ mo za spremembo geometrije lomilca odrezkov, je najpomembnejše pravilno podajanje. Če ostane podajanje nespremenjeno, pa moramo ustrezno prilagoditi geometrijo za lomljenje od‐ rezkov.

Slika 8:44 Praktični nasveti za optimalne odrezke (minus pomeni zmanjšanje podajanja oz. močnejšo geometrijo lomilca odrezkov, plus pa ravno nasprotno)

Ko zagotovimo optimalno obliko odrezkov, lahko nadaljujemo z optimizacijo vzorcev obrabe na rezalnem robu. Želimo si predvsem obrabe proste ploskve ali kotanjaste obrabe, ki omogočata ravnovesje med produktivnostjo in stroškovno učinkovitostjo. Prav to mora biti tudi cilj analize obrabe v praksi. Najprej pregledamo vrsto obrabe rezalnih robov. Če ne prevladuje obraba pro‐ ste ploskve ali obraba v obliki kotanje, spremenimo rezalno hitrost ali zamenjamo karbidno kva‐ liteto. Tako se čim bolj približamo »idealni« obrabi. Šele ko na rezalnih robovih prevladuje obra‐ ba proste ploskve ali obraba v obliki kotanje, lahko nadaljujemo z optimizacijo ekonomike pro‐ cesa odrezavanja.

Slika 8:45 Praktični nasveti za optimalno obrabo orodja (minus pomeni zmanjšanje rezalne hitrosti oz. bolj žilavo karbidno kvaliteto, plus pa ravno nasprotno)

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 113

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 114

Kakovost obdelanih površin Kakovost površin je pogosto ena od najpomembnejših zahtev na načrtu obdelovanca. Obdelana površina ima posebne fizikalne in kemijske lastnosti, zato je nadzor nad kakovostjo obdelane po‐ vršine ena ključnih nalog pri obdelavi z odrezavanjem. Kakovost je opredeljena s tolerancami oblike, položaja in dimenzij, s površinsko hrapavostjo in strukturo materiala na površini.

9.1 Uvod Integriteta površine je določena z geometrijskimi značilnostmi ter s fizikalnimi, kemijskimi, me‐ hanskimi in metalurškimi lastnostmi in značilnostmi. Pri obdelavi z odrezavanjem je pomembna zaradi svojega vpliva na lastnosti, kot sta trajna nihajna trdnost in odpornost proti koroziji, od katerih je odvisna doba uporabnosti izdelka. Obdelava lahko povzroči različne napake na površi‐ ni in pomanjkljivo integriteto. Napake se pojavijo zaradi kombinacije več dejavnikov, kot so last‐ nosti obdelovanega materiala, postopek odrezavanja ter izbira in nadzor parametrov procesa.

Površinske napake so lahko razpoke ali vdolbine; toplotno vplivani pas, sestavljen iz bele plasti, v kateri je prišlo do transformacije obdelovanega materiala, in črne plasti, v kateri je obdelovani material zelo spremenjen; vključki; napetosti v strukturi obdelovanega materiala …

Slika 9:1 Struktura na površini in pod površino ter lastnosti po obdelavi

V tem poglavju podrobneje obravnavamo samo en vidik integritete površine v povezavi s proce‐ som odrezavanja, in sicer teksturo/topografijo površine oz. površinsko hrapavost.

Točnost oblike in položaja ter dimenzijske tolerance obdelane površine kot elementi zagotavlja‐ nja kakovosti so odvisne od kakovosti geometrije in zasnove oz. konstrukcije proizvodnih sred‐ stev, kot so obdelovalni stroj, sistemi za pritrjanje obdelovancev, sistem programiranja in rezal‐ no orodje, le v manjši meri pa tudi od samega procesa odrezavanja. Zato ti elementi kakovosti tukaj ne bodo deležni podrobnejše obravnave. Proces odrezavanja lahko posredno vpliva na točnost in tolerance obdelanih površin: težave s tolerancami nastanejo, npr. če se rezalno orod‐ je upogiba čez mero zaradi zelo velikih rezalnih sil. Kakovost dimenzij obdelane površine lahko tedaj izboljšamo z izbiro takih rezalnih parametrov, da se zmanjšajo rezalne sile. Vpliv procesa odrezavanja na spremembe v strukturi materiala je posebno tematsko področje, ki se ga na tem mestu ne bomo dotaknili, saj je bralcu na voljo specializirana literatura.

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 115

Slika 9:2 Struktura materiala na površini in pod površino po obdelavi z odrezavanjem

Tekstura oz. topografija površine opisuje mikrogeometrijo oblike obdelane površine, določajo pa jo predvsem točnost gibanja rezalnega roba glede na obdelovanec, geometrija rezalnega roba (geometrija konice), rezalni parametri (predvsem podajanje, v določeni meri pa tudi rezalna hi‐ trost) in dejanski potek procesa odrezavanja.

Slika 9:3 Vsaka obdelava z odrezavanjem ustvari površino z značilno integriteto in teksturo.

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 116

9.2 Topografija površine Ne glede na vrsto obdelave ima vsaka površina svoje geometrijske značilnosti, ki jih imenujemo struktura oz. topografija površine. Opis teksture površine kot geometrijske lastnosti je zahtevna naloga, pri kateri si pomagamo z več dobro definiranimi in merljivimi veličinami (Slika 9:4): ‐

‐ ‐ ‐

Oblika ali nominalni profil je oblika (ravna, okrogla …), ki jo predpišemo površini. Primar‐ ni ali stvarni profil je dejanska oblika, ki jo zavzame površina, in se razlikuje od nominalne oblike.

Profil valovitosti opisuje ponavljajoča se odstopanja od idealne oblike profila z večjo va‐ lovno dolžino.

Profil hrapavosti je definiran z naključnimi odstopki na manjši skali, izražamo pa ga po višini, širini in dolžini.

Napake so naključne nepravilnosti, kot so razpoke, srh na mikroravni, razpoke ali vključki.

Primarni profil obdelane površine je odvisen od točnosti gibanja rezalnega roba in konice glede na idealno gibanje, s katerim bi ustvarili nominalno površino. Točnost zagotavljata predvsem obdelovalni stroj in način krmiljenja gibanj obdelovalnega stroja. Včasih nanj vpliva tudi izbrano rezalno orodje. Za struženje ISO‐navojev moramo tako uporabiti rezalno orodje s profilom, ki je prilagojen tej obliki navoja. Če bi isto orodje uporabili za izdelavo cevnega navoja, je jasno, da bi dobili napačen primarni profil.

Profil valovitosti obdelane površine je prav tako odvisen od točnosti gibanja rezalnega roba gle‐ de na obdelovanec. Glavni povzročitelj težav z valovitostjo so vibracije, ki jih lahko odpravimo z obdelovalnimi stroji in rezalnimi orodji, ki so bolj togi in manj občutljivi za vibracije, kakor tudi z boljšo pritrditvijo obdelovancev. Proces odrezavanja ima pri tem posredno vlogo. Vibracijam in nepravilnemu profilu valovitosti obdelane površine se lahko izognemo z delovnimi pogoji, ki omogočajo manjše rezalne sile, ali s spremembo geometrije rezalnega orodja za bolj prosto od‐ rezavanje.

Slika 9:4 Topografija površine po obdelavi z odrezavanjem. Stvarna oz. primarna površina je sestavljena iz profila valovitosti in profila hrapavosti.

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 117

Slika 9:5 Površinska hrapavost je definirana kot razlika primarnega profila in profila valovitosti.

Površinska hrapavost je sestavni del teksture površine, določajo pa jo odstopanja stvarne povr‐ šine od idealne oblike (od katerih smo odšteli profil valovitosti). Če so ta odstopanja velika, je površina hrapava, če so majhna, pa je površina gladka. Hrapavost je sestavni del izmerjene povr‐ šine, ki ga sestavljajo visoke frekvence oz. kratke valovne dolžine. V praksi moramo za ocenjeva‐ nje ustreznosti površine za dani namen poznati tudi amplitudo in frekvenco profila hrapavosti.

Hrapavost igra pomembno vlogo pri interakciji izdelka z delovnim okoljem. Grobe površine se hitreje obrabljajo in imajo večji koeficient trenja kot gladke površine. Hrapavost je tudi dober prediktor zmogljivosti mehanskih komponent, saj se razpoke in korozija pogosto začnejo na me‐ stih nepravilnosti na površini. Površina je lahko po obdelavi tudi preveč gladka, saj majhna hra‐ pavost ustvarja ugodne razmere za adhezijo. Čeprav je visoka hrapavost pogosto nezaželena, je obvladovanje hrapavosti med proizvodnjo zahtevna in draga naloga. Zmanjšanje hrapavosti je običajno povezano z večjimi proizvodnimi stroški, zato moramo vedno iskati kompromis med stroški in zmogljivostjo izdelka za določeno nalogo.

Hrapavost lahko določamo ročno s pomočjo primerjalnih etalonov znane površinske hrapavosti, za objektivne meritve površinskega profila pa se pogosteje uporabljajo instrumenti za merjenje površin s tipalno iglo (običajno iz diamanta) ali optični instrumenti, kot so interferometri na belo svetlobo. Objektivna kontrola hrapavosti je zaželena npr. pri bleščečih površinah, ki so presvetle za vizualno ocenjevanje in preveč gladke za tipanje s prstom. V takem primeru sta pomembni tako amplituda kakor tudi frekvenca.

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 118

Slika 9:6 Različni sistemi oz. hrapavostni parametri za opredelitev površinske hrapavosti

Hrapavost lahko računamo na profilu (liniji) ali na površini, pri čemer se pogosteje uporabljajo profilni hrapavostni parametri (Ra, Rq ...). Površinski hrapavostni parametri (Sa, Sq ...) imajo večjo informativno vrednost.

Vsakega od hrapavostnih parametrov računamo z eno od formul za opis površine (Slika 9:7). V praksi se uporablja mnogo različnih hrapavostnih parametrov. Najbolj razširjen med njimi je Ra, verjetno iz zgodovinskih razlogov, saj so prvi instrumenti za merjenje hrapavosti merili samo Ra. Pogosto se uporabljajo tudi parametri Rz, Rq, Rv in Rp. Pri teh parametrih je vsa informacija o profilu strnjena v eno samo številko, zato moramo biti pri uporabi in tolmačenju rezultatov previdni. Že majhne spremembe v filtriranju surovih podatkov profila, načinu računanja srednjice in fiziki meritev lahko zelo vplivajo na izračunano vrednost parametra. Pri sodobni digitalni opremi je smiselno na posnetku površine preveriti, ali vrednosti niso morda izkrivljene zaradi očitnih napak. V tem primeru meritev ponovimo na drugačen način.

Mnogi uporabniki pravzaprav ne vedo, kaj pomenijo različne meritve. Pomagajo si lahko s simu‐ lacijskimi orodji, ki omogočajo »igranje« s ključnimi parametri in pokažejo, kako dobro (ali slabo) se površine, ki jih človeško oko takoj prepozna kot različne, razlikujejo tudi v parametrih. Vre‐ dnost Ra bo tako povsem enaka za dve površini, ki nosita profilne grebene in profilne dole enake amplitude (Slika 9:8). Takšna simulacijska orodja so danes na voljo npr. kot aplikacije za preno‐ sne naprave.

Vsi dvorazsežnostni hrapavostni parametri so po dogovoru označeni z veliko črko R, ki ji sledijo dodatni znaki v indeksu. Indeks označuje uporabljeno formulo. Druga velika črka pomeni, da je bila formula uporabljena na drugačnem profilu. Ra tako predstavlja srednji aritmetični odstopek profila hrapavosti, Pa je srednji aritmetični odstopek nefiltriranega surovega profila, Sa pa srednji aritmetični odstopek 3D‐hrapavosti.

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 119

Slika 9:7 Primeri definicij in formul, ki se uporabljajo za računanje različnih hrapavostnih parametrov. Razlage for‐ mul je mogoče poiskati v ustrezni literaturi (na sliki so primeri proizvajalca instrumentov Mitutoyo).

Predpostavka pri formulah za računanje posameznih hrapavostnih parametrov je, da je bil profil hrapavosti filtriran iz surovih podatkov in da je bila izračunana in odšteta valovitost. Profil hra‐ pavosti je sestavljen iz urejene vrste točk, ki so enakomerno razporejene po referenčni dolžini ter predstavljajo navpično razdaljo od linije valovitosti do podatkovne točke. Po dogovoru je po‐ zitivna smer pri merjenju višine navzgor, proč od predmeta.

Amplitudni parametri karakterizirajo površino na osnovi navpičnih odstopanj profila hrapavosti od srednjice. Mnogi med njimi so tesno povezani s parametri, ki jih uporabljajo v statistiki za ka‐ rakterizacijo vzorcev populacije. Ra tako predstavlja aritmetično sredino absolutnih vrednosti odstopkov, Rt pa je največja višina profila (razpon zbranih podatkovnih točk).

Slika 9:8 Površini različnih profilov s podobno vrednostjo srednjega aritmetičnega odstopka profila (Ra).

Pri uporabi srednje vrednosti odstopkov profila Ra za opisovanje topografije moramo biti previdni.

Ko preučujemo vpliv procesa odrezavanja na hrapavost obdelane površine, moramo upoštevati več različnih dejavnikov. Glede na to, kateri elementi procesa vplivajo na hrapavost površine, jo lahko delimo na kinematično hrapavost, hrapavost po odrezavanju in še na nekatere druge de‐ javnike hrapavosti. Ta delitev izhaja zgolj iz vplivnih dejavnikov profila in nima nikakršne zveze s stvarnim profilom površine.

Kinematična hrapavost je del hrapavosti, ki jo povzročita relativno gibanje rezalnega orodja gle‐ de na obdelovanec in začetna geometrija konice. Odvisna je od razmer pri odrezavanju ter od obrabe rezila.

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 120

Hrapavost po odrezavanju nastane zaradi mehanizmov oblikovanja odrezkov v strižni coni, mo‐ rebitnega nalepka in geometrije rezalnega roba. Odvisna je še od mikrogeometrije rezalnega roba, obdelovanega in rezalnega materiala, temperatur pri odrezavanju, sistema hlajenja in obrabe rezalnega roba.

Dodatni vplivni dejavniki hrapavosti površine in možni vzroki napak so tudi vibracije (stabilnost obdelovalnega sistema, rezalne sile …), oblikovanje odrezkov, obdelovani material, mikrogeo‐ metrija rezalnega roba in razmere pri obdelavi.

Slika 9:9 Vplivni dejavniki kakovosti površine, ki izhajajo iz procesa odrezavanja

9.3 Hrapavost po odrezavanju (tribološki dejavniki) Kakovost obdelane površine je odvisna od dejanskega poteka procesa odrezavanja. Teoretično se obdelovani material striže v strižni ravnini, pri nekaterih obdelovanih materialih in rezalnih hitrostih (predvsem manjših) pa do deformacij in striženja obdelovanega materiala prihaja v šir‐ šem območju, ne samo v ravnini (Slika 9:10). Lahko se zgodi, da se strižna cona vzpostavi pod obdelano površino in nastanejo površinske napake, ki kvarijo teksturo površine in teoretični ki‐ nematični profil površine.

Slika 9:10 Dejanska oblika strižne cone lahko vpliva na hrapavost površine

Slika 9:11 prikazuje dva glavna dejavnika, ki sta zaslužna za hrapavost po odrezavanju. Pri manj‐ ših rezalnih hitrostih se strižna cona lahko oblikuje pod obdelano površino, zaradi česar se na _____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 121

njej naredijo jamice. Pri nekaterih rezalnih hitrostih se lahko tvori nalepek, delci katerega osta‐ nejo na obdelani površini in povzročijo poslabšanje kakovosti obdelane površine.

Slika 9:11 Razvoj strižne cone in nalepek vplivata na hrapavost površine po odrezavanju.

Dodatno poslabšanje in neprimeren videz površine lahko povzročijo tudi vibracije med odreza‐ vanjem ali odrezki, ki razijo obdelano površino.

9.4 Kinematična hrapavost Teoretično kinematično globino hrapavosti Rt lahko izpeljemo iz geometrijskih razmer pri obde‐ lavi in je funkcija podajanja ter geometrije in dimenzij rezalnega roba.

Slika 9:12 Hrapavost površine po struženju je odvisna od radija konice, pomožnega rezalnega roba (gladilne geometrije) in podajanja.

Slika 9:13 prikazuje postopek in formulo za računanje kinematične hrapavosti površine v odvi‐ snosti od radija roba rezalnega orodja in podajanja. Rezultati po formuli na Sliki 9:13 se pri zelo majhnih podajanjih razlikujejo od izmerjene hrapavosti površine. Ta razlika izhaja iz zelo majhne debeline odrezkov in posledičnega nastanka srha na mikroravni.

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 122

Slika 9:13 Kinematična hrapavost površine pri struženju je odvisna od radija konice, pomožnega rezalnega roba (gladilne geometrije) in podajanja.

Formule za določanje hrapavosti površine na Sliki 9:13 pri večini materialov dajejo zadovoljive rezultate tudi za majhne vrednosti podajanja. Geometrično idealna oblika profila površine je od‐ visna od podajanja in od geometrije rezalnega orodja. Pri obdelavi duktilnih materialov obstaja možnost nastanka srha na mikroravni: obdelovani material se zaradi svoje prožnosti in obrabe rezalnega roba odmika vstran, pozneje pa delno skoči nazaj. Pri tem nastaja mikrosrh, ki poslab‐ ša hrapavost površine, saj je dejanska globina hrapavosti večja od teoretične. Težavo lahko od‐ pravimo ali vsaj omejimo z ustrezno lego in geometrijo pomožnega rezalnega roba.

Slika 9:14 Končna hrapavost površine je vsota kinematične hrapavosti (Slika 9:12) in hrapavosti po odrezavanju.

Delež slednje v končni hrapavosti je še posebej pomemben pri manjših vrednostih podajanja. Na vodoravni osi je podajanje, na navpični pa hrapavost površine.

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 123

Slika 9:15 Kinematično hrapavost površine določata geometrija vrha in podajanje. Če prihaja do srha na mikroravni (hrapavost po odrezavanju), je pomemben položaj sekundarnega rezalnega roda, ki postrga srh z obdelane površine.

Slika 9:16 prikazuje praktičen primer hrapavosti površine, ki je dosegljiva s standardno geome‐ trijo rezila (modra linija) ter s posebno geometrijo rezila v kombinaciji s posebnim položajem pomožnega rezalnega roba (zelena linija). Gre za orodja z gladilno geometrijo (angl. wiper), pri katerih se običajni geometriji rezila pridružuje posebna lega pomožnega rezalnega roba za boljšo hrapavost obdelane površine, ki je manj odvisna od podajanja.

Slika 9:16 Primer odvisnosti površinske hrapavosti od geometrije roba in gladilne geometrije pomožnega rezalnega roba

9.5 Dodatni vplivni dejavniki površinske hrapavosti Razen geometrijskih dejavnikov, kot so dimenzije in geometrije rezalnega roba, obstajajo še drugi dejavniki, ki vplivajo na hrapavost obdelane površine.

Eden od njih je tudi čas, ko orodje reže. Ko rezalni rob že nekaj časa reže, se na njem pokažejo znaki obrabe. Zaradi nje se spremeni geometrija rezila, to pa vpliva na hrapavost obdelane povr‐ šine. V splošnem velja, da se površinska hrapavost s časom rezanja slabša (Slika 9:17). Pri novem rezilu se površinska hrapavost po krajšem času rezanja pogosto sprva nekoliko izboljša. Novo rezilo z nedotaknjenim rezalnim robom namreč reže nepravilno, dokler se ne uteče in ne nastopi _____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 124

začasno izboljšanje hrapavosti obdelane površine. Tega je konec, ko se na rezalnem robu pojavi prava obraba.

Ko rezilo že dalj časa reže in se na njem pojavi določena vrsta obrabe, lahko postane tekstura obdelane površine nepravilna (Slika 9:18). Mehanizem in razsežnost obrabe spremenita začetno geometrijo rezila, ki ustvarja obdelano površino in ji daje kinematično hrapavost. Vpliva obrabe na geometrijo rezalnega roba ni mogoče napovedati, zato je nepredvidljiv tudi njen vpliv na stvarni profil hrapavosti.

Slika 9:17 Ra se povečuje kot funkcija časa odrezavanja (vodoravna os). Ko se rezalni rob uteče, ugotavljamo rahlo zmanjšanje vrednosti Ra.

Slika 9:18 Vrsta in razsežnost obrabe rezalnega roba vplivata na površinsko hrapavost.

Omenili smo že, da na kakovost obdelane površine vpliva tudi rezalna hitrost. Večja ko je rezalna hitrost, kakovostnejša bo površina. Pri manjši rezalni hitrosti je namreč vedno prisotno tveganje, da se bo strižna cona oblikovala pod obdelano površino. Ta pojav pri večji rezalni hitrosti izgine in površinska hrapavost se izboljša. Pri določeni kritični rezalni hitrosti se temperatura zviša čez mero in površinska hrapavost se spet poslabša, ker postane obdelovani material premehak in na obdelani površini nastopijo mikrodeformacije.

Rezalno hitrost moramo izbirati tako, da ne bo nalepka ne rezalnem robu oz. da bo minimalen.

Delci nalepka namreč ostanejo vdelani v obdelani površini, kjer povzročajo poslabšanje hrapavo‐ sti in površinske napake.

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 125

Slika 9:19 Površinska hrapavost kot funkcija izbrane rezalne hitrosti

Pri analizi vpliva podajanja smo opisali geometrijski vpliv podajanja na kinematično površinsko hrapavost. Večje podajanje daje višji, manjše podajanje pa nižji profil hrapavosti obdelane površine.

Z analizo vpliva podajanja na hrapavost obdelane površine pridemo do naslednje zelo zanimive in pomembne ugotovitve. Večje ko je podajanje, bolj konstanten bo profil hrapavosti obdelane površine v času (Slika 9:20). Slika prikazuje hrapavost obdelane površine, izmerjeno na 10 zapo‐ rednih obdelovancih pri treh različnih vrednostih podajanja. Očitno je, da se izmerjena hrapa‐ vost povečuje s podajanjem, istočasno pa pri večjem podajanju ugotavljamo manjši raztros me‐ ritev hrapavosti na 10 obdelovancih. Dosledno površinsko hrapavost zato lažje dosežemo pri večjem kot pri manjšem podajanju. Če je ena od zahtev majhna površinska hrapavost, moramo večje podajanje kombinirati z večjo geometrijo konice orodja, ta pa lahko privede do vibracij in vnovičnega poslabšanja površinske hrapavosti. Za doseganje nizke hrapavosti obdelane površine v daljšem obdobju je zato nujna skrbna uskladitev geometrije konice in podajanja.

Slika 9:20 Podajanje vpliva na raztros površinske hrapavosti, izmerjene na več zaporednih obdelovancih.

Z večjim podajanjem dosežemo doslednejšo hrapavost.

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 126

Isto načelo je ponazorjeno s Sliko 9:21. Diagram prikazuje izmerjeno površinsko hrapavost pri različnih kombinacijah radija konice in podajanja. Kakovost obdelane površine se izboljšuje z večjim radijem konice, neodvisno od podajanja. Večje podajanje pri danem radiju konice prinese večjo hrapavost obdelane površine. Vpliv podajanja na površinsko hrapavost se zmanjšuje s po‐ večevanjem radija konice orodja. Tako vnovič sklenemo, da je najobetavnejši pristop za visoko produktivnost (v tem primeru z večjim podajanjem) in dobro hrapavost obdelane površine izbira rezalnih orodij z velikim radijem konice. Večji radij konice pa seveda tudi poveča tveganje vibra‐ cij med obdelavo, ki lahko izničijo ugoden prispevek večjega radija.

Slika 9:21 Površinska hrapavost je odvisna od geometrije konice in od podajanja (primer obdelave materiala 100Cr6 s pcBN; vc = 150 m/min, ap = 0,15 mm).

Na Sliki 9:22 si lahko ogledamo praktičen primer možnosti, ki jih ponujajo sodobna rezalna orod‐ ja s skrbno izbranimi rezalnimi parametri. Čelno frezalo Seco Octomill je opremljeno s ploščicami z značilno geometrijo rezil. Na sliki so podani rezalni parametri in dosežena hrapavost obdelane površine. Obdelovanec je iz običajnega konstrukcijskega jekla. Za tako dobre rezultate je seveda nujno, da obdelovalni proces poteka v ugodnih razmerah (stabilnost, kakovosten obdelovalni stroj, kakovosten sistem za pritrjanje obdelovanca …).

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 127

Slika 9:22 Primer izjemno dobre površinske hrapavosti, ki jo lahko dosežemo s sodobnim orodjem – tukaj Seco Octomill

Slika 9:23 Odvajanje materiala vstran je značilen primer situacije, kjer proces odrezavanja vpliva na hrapavost obdelane površine.

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 128

Primeri dobre prakse pri optimizaciji procesov odrezavanja Sprememba obdelovalnega postopka, rezalnega orodja ali pogojev pri odrezavanju je upravičena v dveh primerih. Prvi je, da nastopijo tehnični problemi, ki so definirani kot okoliščine, v katerih proces obdelave kovine z odrezavanjem ne vodi do želenega izdelka v načrtovanem času in po predvidenih stroških. Drugi primer pa je, da se vse odvija po načrtih in predvidevanjih, vendar spremenjene širše okoliščine zahtevajo izboljšanje kakovosti obdelovanca, skrajšanje časa izde‐ lave ali zmanjšanje proizvodnih stroškov. V prvem primeru govorimo o odpravljanju napak, v drugem pa o optimizaciji procesov. Odpravljanje napak je enkraten dogodek, usmerjen v razreši‐ tev danega problema, optimizacija pa je proces, ki se stalno izvaja v vsaki proizvodni enoti.

10.1 Uvod v odpravljanje napak Učinkovito in uspešno reševanje problemov pri obdelavi z odrezavanjem zahteva od strokovnja‐ ka poglobljeno poznavanje fizike procesov odrezavanja. Ključni element za zanesljivo, nemote‐ no, produktivno in stroškovno učinkovito proizvodnjo je strokovno znanje na treh področjih.

Znanje o procesih odrezavanja je nujno za razumevanje delovanja rezalnega roba in njegovih interakcij z obdelovancem. Diagnostične veščine omogočajo postavitev pravilne diagnoze v dani situaciji ter iskanje osnovnih vzrokov npr. za slabšanje orodja, obrabo ali vibracije, še posebej kadar so ti pojavi nesprejemljivi in problematični. Končno pa mora strokovnjak poznati tudi pra‐ ve prijeme za odvrnitev neželenih okoliščin med procesom odrezavanja ter za nadzor in napove‐ dovanje poteka procesov.

Slika 10:1 Oblikovanje in odstranjevanje odrezkov je značilen problem, s katerim se danes srečujemo v delavnicah.

Nepotrebne prekinitve delovanja strojev so skrit vir dodatnih proizvodnih stroškov.

10.2 Predstavitev scenarijev za optimizacijo Uvajanje procesov optimizacije v delavnico terja od strokovnjaka za odrezavanje dodatne vešči‐ ne. Da lahko prepozna priložnosti za optimizacijo, izbere prave prijeme za uresničitev optimiza‐ cijskih kriterijev in meri rezultate, mora strokovnjak dobro poznati sam proces odrezavanja, pa tudi nekatere ključne tehnično‐ekonomske kazalce svoje proizvodne enote. Denimo, da se v de‐ lavnici pojavi zahteva po skrajšanju ciklov z namenom povečanja produktivnosti. Na pladnju se nam ponuja povečanje rezalnih parametrov, toda kaj naj izberemo – rezalno hitrost ali podaja‐ nje? Oboje je izvedljivo po tehnološki plati, razlika pa je v gospodarnosti oz. stroških. Ko nadalju‐ _____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 129

jemo z iskanjem rešitev, začnemo razmišljati o skrajšanju prekinitev in o znižanju stopnje zavrni‐ tve izdelkov v kontroli. Optimizacija pomeni, da se poglobimo v vsa ta vprašanja ter preučimo možne koristi od posameznih ukrepov oz. scenarijev. Za to potrebujemo strokovno znanje in iz‐ kušnje, da lahko pretehtamo vse dejavnike in poiščemo pravo pot do želenih rezultatov.

Nekaj primerov scenarijev za optimizacijo: ‐ Če je cilj višja stopnja odvzema materiala (povečanje celotne produktivnosti) in izberemo pristop na mikroravni (en sam obdelovanec in naloga), lahko preverimo možnost dela z večjimi rezalnimi hitrostmi in podajanjem. ‐ Delavnica lahko izvaja mnogo različnih obdelav, cilj optimizacije pa je zmanjšanje števila raz‐ ličnih rezalnih orodij, ki so v uporabi. V tem primeru bo glavni predmet optimizacije fleksi‐ bilnost pri uporabi rezalnih orodij. ‐ Če se v delavnici iz prejšnje alineje odločijo za uporabo rezalnega orodja za širok spekter de‐ lovnih nalog, morajo opredeliti različne kombinacije rezalnih parametrov za uporabo istega rezalnega orodja v različnih procesih. ‐ V proizvodnem okolju z obdelovalnimi stroji, ki obratujejo z omejenim nadzorom ali brez nadzora upravljavcev, je lahko glavni cilj optimizacije izbira takega rezalnega orodja in rezal‐ nih parametrov, ki zagotavljajo dolgo in, kar je še bolj pomembno, predvidljivo obstojnost rezalnih robov. ‐ Če so cilj optimizacije obdelovanci dosledno visoke kakovosti, bo glavni cilj optimizacije izbi‐ ra rezalnih orodij z zelo kakovostnim rezalnim robom in dobro obstojnostjo proti obrabi. Re‐ zalno orodje pa predvsem ne sme biti nagnjeno k tvorbi nalepka. ‐ Cilj procesa optimizacije je lahko tudi zmanjšanje nenačrtovanih prekinitev procesa. Obde‐ lovalni stroj ne proizvaja, kadar stoji npr. zaradi priprav, manipulacije z obdelovanci … Te čase lahko načrtujemo, zaradi težav pri obdelavi pa se lahko pojavijo tudi nepričakovane prekinitve. Eden od možnih ciljev scenarija optimizacije so torej tudi minimalne nepričako‐ vane prekinitve – v takih primerih se osredotočamo predvsem na zanesljivost in predvidlji‐ vost procesa odrezavanja.

Izvajanje optimizacijskih scenarijev v proizvodni enoti zahteva upoštevanje načina proizvodnje pri odločanju o ukrepih za izboljšanje učinkovitosti in uspešnosti enote.

Za organizacijo velikoserijske (množinske) proizvodnje je značilno, da stroje upravlja malo ljudi oz. da prisotnost upravljavcev sploh ni potrebna, visoka stopnja avtomatizacije in visoka učinko‐ vitost, upravljavci obdelovalnih strojev so priučeni delavci in kontrola kakovosti se izvaja samo na koncu proizvodne linije. Optimizacija rezalnih orodij v tovrstni proizvodnji se osredotoča na dolgo in predvidljivo obstojnost orodja, kakovost in zanesljivost rezalnega roba ter na preprosto rokovanje in enostavno zasnovo rezalnih orodij.

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 130

Slika 10:2 Sodoben proizvodni obrat. Za takšne delavnice je značilno, da so organizirane za proizvodnjo raznovrstnih izdelkov v malih serijah.

Za srednjeserijsko proizvodnjo, ki jo največkrat srečujemo v dobaviteljski industriji, je značilna majhna prisotnost upravljavcev ob strojih, srednja stopnja avtomatizacije, poudarek na zmanj‐ ševanju stroškov in izboljševanju produktivnosti, upravljavci obdelovalnih strojev pa morajo imeti več strokovnega znanja. Optimalna rezalna orodja morajo zagotavljati visoko zmogljivost in produktivnost; dolgo in zanesljivo obstojnost, dolgotrajno kakovost rezalnega roba in prepro‐ sto uporabo.

Za maloserijsko proizvodnjo in izdelavo prototipov je značilno večje število visokostrokovnih in izkušenih upravljavcev, ki so usposobljeni in pristojni za prilagajanje obdelovalnih postopkov, nizka stopnja avtomatizacije in poudarek na fleksibilnosti. Optimalna rezalna orodja v maloserij‐ ski proizvodnji so vsestranska in visoke kakovosti.

Slika 10:3 Pri odpravljanju glavnih ozkih grl na poti do želenih rezultatov obdelave lahko sledimo štirim osnovnim scenarijem izbire rezalnega orodja za optimizacijo proizvodnje.

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 131

Želene rezultate za vsako proizvodno enoto lahko v splošnem razvrstimo v štiri različne skupine (Slika 10:3). Glavni cilj proizvodne enote je lahko produktivnost, kjer je pomembno število do‐ končanih izdelkov na časovno enoto. Cilj je lahko tudi izboljšanje ekonomičnosti, ki jo dosežemo z zmanjšanjem stroškov (glavni kriterij so stroški, ki nastanejo do dokončanja izdelka). Kje drugje bo glavni cilj dosledno visoka kakovost izdelkov. Končno pa je cilj lahko organizacija proizvodne enote za učinkovito izvajanje različnih naročil. To je značilno za podjetja v mnogoizdelčni malo‐ serijski proizvodnji.

Scenariji za optimizacijo se v vseh štirih primerih začnejo z določitvijo pravega kriterija za izbiro orodja. Če je glavni cilj produktivnost, izberemo orodje, ki ponuja visoko zmogljivost za dano na‐ logo. Nasprotno bodo v proizvodni enoti, ki si prizadeva za učinkovitost pri izvedbi različnih na‐ ročil, izbrali bolj vsestranska rezalna orodja. Na ta način si skrajšajo neproduktivni čas za mani‐ pulacije z orodji na obdelovalnih strojih. Če so glavni cilj proizvodne enote izdelki z dosledno vi‐ soko kakovostjo, morajo izbirati visokonatančna orodja, za katera je značilna visoka kakovost rezalnih robov, dosledna kakovost odrezavanja ter predvidljivo in zanesljivo delovanje. Če je cilj optimizacijskega procesa povečanje ekonomske učinkovitosti proizvodne enote, npr. izboljšanje cenovne konkurenčnosti, je treba pri izbiri orodja uporabiti dodaten kriterij cene na rezalni rob.

Pri tem je potrebna določena previdnost, saj prihranek na mikroravni (pri stroških orodja) lahko pomeni celo povečanje stroškov v globalu (celotni proizvodni stroški izdelka). Več o tem sledi v naslednjem poglavju.

Slika 10:4 Primer hitrega in neposrednega pristopa k zmanjševanju stroškov orodja. S preprostimi prilagoditvami uporabljenega orodja na osnovi empiričnih podatkov lahko dosežemo velike izboljšave, ne da bi se morali odpovedati produktivnosti ali zanesljivosti.

Ko začnemo analizirati strošek na rezalni rob, nam najprej pridejo na misel nabavni stroški orod‐ ja. Precej večje prihranke lahko ustvarimo s tehnično analizo zmožnosti rezalnega orodja in de‐ janske izkoriščenosti teh zmožnosti. Oglejmo si primer na Sliki 10:4, kako s preprosto analizo ob‐ stoječega stanja in nekaj hitrimi spremembami pri rezalnih orodjih dosežemo velik učinek. Anali‐ za je pokazala, da je povprečno število rezalnih robov na ploščico precej majhno, da je razmerje med globino reza in dolžino rezalnega roba razmeroma majhno ter da v košu za odpadke konča precej neuporabljenih rezalnih robov. Sledili so ukrepi: z uvedbo večrobih ploščic se je povečalo _____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 132

število rezalnih robov na ploščico; z manjšimi ploščicami se je izboljšalo razmerje med globino reza in dolžino rezalnega roba; upravljavci strojev pa so odšli na šolanje ter se usposobili za ob‐ vladovanje obrabe in slabšanja orodij, ki se poslej manj lomijo. Ker izkoristijo vse rezalne robove, so ustvarili več kot 70‐odstoten prihranek pri stroških orodja. V mnogih delavnicah v košu konča‐ jo tudi neizrabljeni rezalni robovi. Razlog je v tem, da je dejansko obrabo rezalnega roba težko ocenjevati in mnogi operaterji obdelovalnih strojev preprosto ne želijo tvegati. Če so v dvomih glede stanja rezalnega roba, ga takoj zamenjajo z novim, pri takem ravnanju pa se zlahka zgodi, da je zavrženih tudi 10 ali več odstotkov neizrabljenih rezalnih robov (Slika 10:5).

Slika 10:5 Rezalni robovi s prevleko Duratomic druge generacije omogočajo operaterju, da prepozna obrabo na rezalnih robovih. Stroški se na ta način brez truda zmanjšajo tudi za 10 %.

10.3 Zanesljivost in predvidljivost procesa odrezavanja

Slika 10:6 Odpravljanje nepričakovanih težav pri obdelavi povzroča prekinitve in obdelovalni stroj v tem času ni produktiven.

Analiza porabe časa na obdelovalnem stroju pokaže, da imamo zunaj produktivnega časa (to je čas, ko so rezalni robovi v stiku z obdelovancem, z njega odstranjujejo material in ga tako spre‐ minjajo v končni izdelek) opravka z različnimi vrstami prekinitev. Prekinitve so definirane kot čas, ko stroj ne obdeluje, npr. čas priprave obdelovalnega stroja, čas za ravnanje z obdelovanci in orodji ter čas za odpravljanje težav. Od seštevka vseh prekinitev je odvisen razpoložljiv izvajalni oz. produktivni čas. Izboljševanje učinkovitosti pomeni zagotavljanje maksimalnega produktiv‐ nega časa oz. skrajšanje prekinitev delovanja obdelovalnega stroja na najmanjšo možno mero. _____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 133

Vsak obdelovalni stroj je treba pripraviti na začetek obdelave naslednje serije izdelkov (progra‐ miranje, priprava naprav za pritrjanje obdelovancev ...), zato se ni mogoče izogniti pripravljal‐ nemu času delovnega sredstva. Skrajšamo ga lahko (in tako podaljšamo produktivni čas) npr. z vnaprejšnjo pripravo programov, uvajanjem načel skupinske tehnologije ... Izogniti se ni mogoče niti času za strego obdelovancev, lahko pa ga skrajšamo npr. s sistemi za avtomatsko menjava‐ nje obdelovancev in roboti. Neizogibni so tudi časi ravnanja z orodjem, s katerimi se bomo po‐ drobneje seznanili v naslednjem poglavju. Vse naštete prekinitve lahko načrtujemo, zato ne pov‐ zročajo nepričakovanih težav v zvezi s produktivnostjo ali stroškovno učinkovitostjo. Nekaj pov‐ sem drugega pa so izgube časa zaradi nepričakovanih težav pri obdelavi, ki jih moramo odprav‐ ljati sproti. Za to porabimo čas, produktivnost se zmanjša nepričakovano in nenačrtovano, zniža se zmogljivost proizvodnje in povečajo se stroški obdelave. S katerimi problemi se bo srečeval upravljavec obdelovalnega stroja med delom, je seveda odvisno od vsakokratne naloge.

Slika 10:7 Možni vzroki nepričakovanih težav pri obdelavi in posledice, če težav ne odpravimo

Da bi se izognili nepričakovanim težavam, moramo čim bolje pripraviti obdelovalne operacije in skušati napovedati možne težave med obdelavo. Slika 10:7 prikazuje različne vidike, ki jih mo‐ ramo dobro oceniti še pred začetkom obdelave.

Osnovni vir težav je napačna izbira orodij oz. uporaba napačnih kriterijev za izbiro rezalnih oro‐ dij. Če izbrana orodja ne ustrezajo specifikacijam naloge ali nimajo pravih lastnosti, da bi z njimi sploh lahko dosegli zastavljene cilje (produktivnost, stroškovna učinkovitost, vsestranskost ali visoka kakovost obdelanih površin), imamo z vsemi korektivnimi ukrepi le omejene možnosti za uspeh.

Vir težav, ki je pogosto podcenjen, je neustrezno upravljanje zalog orodja. Če imamo v skladišču preveč orodij, si naprtimo dodatne stroške, premajhna zaloga ali zaloga napačnih orodij pa pri‐ vede do dodatnih prekinitev delovanja obdelovalnih strojev in tako močno vpliva na celotno produktivnost in stroškovno učinkovitost.

Malomarno vzdrževanje rezalnih orodij vodi do nepredvidljivega vedenja rezalnih orodij, torej do loma, kratke in nepredvidljive obstojnosti, nesprejemljive kakovosti obdelanih površin ...

Koristi preventivnega vzdrževanja so zato neprecenljive.

Nenadzorovano oblikovanje in odvajanje odrezkov povzroča nepričakovane prekinitve proizvod‐ nje, neustrezno kakovost izdelkov, nepričakovano vedenje rezalnih robov, končno pa predstavlja tudi nevarnost za delavce v proizvodnji. _____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 134

Prevelike rezalne sile povzročajo nepričakovane vibracije, nesprejemljivo kakovost površine in veliko polomljenih rezalnih robov. Vse to zmanjšuje produktivnost ter povečuje celotne stroške obdelave.

Rezalna orodja se med uporabo obrabljajo in slabšajo. Gre za fizikalni pojav, ki se mu ni mogoče izogniti, toda slabšanje in obraba orodja ne smeta nikakor ogroziti zanesljivosti procesa. Nas‐ protno morata biti predvidljiva in nadzorovana ter ne smeta kako drugače vplivati na preostale elemente proizvodnje. Zagotovljena mora biti seveda tudi varnost operaterja obdelovalnega stroja. Če med odrezavanjem nastaja preveč toplote, bo obstojnost orodja majhna in ni mogoče jamčiti za kakovost obdelanih površin. Obvladovanje toplote, ki nastaja med odrezavanjem kovine, je zato ključni element zanesljivosti procesa odrezavanja.

Napačna kombinacija podajanja in globine reza vodi do predolgih ali prekratkih odrezkov, ti pa ogrožajo zanesljivost procesa odrezavanja. Če izberemo neprimerne rezalne hitrosti, ne moremo napovedati slabšanja in obrabe orodja – z vsemi že opisanimi posledicami.

Slika 10:8 Primer vpliva spremembe pogojev pri odrezavanju na obstojnost orodja. Za vsak rezalni parameter je raz‐ vidno, kako se spremeni obstojnost orodja, ko rezalni parameter prvič in drugič povečamo za 10 %. Označena je tudi minimalna varnostna obstojnost orodja (glede na največje stroške orodja za nalogo).

Ko spreminjamo rezalne parametre, se moramo zavedati, kakšen bo vpliv vsakega od njih na ob‐ stojnost orodja. Na Sliki 10:8 je prikazan primer različnega vpliva sprememb rezalnih parame‐ trov na obstojnost orodja. Pri vsaki nalogi v proizvodnji običajno stremimo k povečanju produk‐ tivnosti, kar lahko v večini primerov dosežemo z določitvijo večjih rezalnih parametrov. Zaradi večjih rezalnih parametrov se zmanjša obstojnost orodja, to pa vpliva na stroške orodja za nalo‐ go. S tem v zvezi pogosto predpišemo tudi minimalno zahtevano obstojnost orodja (maksimalne stroške orodja). Minimalno varnostno obstojnost orodja lahko določimo tudi iz tehnoloških raz‐ logov, npr. orodje mora vzdržati vsaj tako dolgo, da z njim dokončamo operacijo oz. obdelova‐ nec. S Slike 10:8 je razvidno, kako spremembe vsakega od treh rezalnih parametrov vplivajo na obstojnost orodja. Če npr. povečamo globino reza za 10 %, bomo na obstojnost orodja vplivali manj, kot če bi npr. povečali rezalno hitrost za 10 %. Kadar torej zasledujemo cilj združitve viso‐ ke produktivnosti in majhnih stroškov orodja, je zato smiselno, da najprej povečamo globino re‐ za in podajanje, šele nato pa preidemo na večje rezalne hitrosti.

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 135

Slika 10:9 Stopnja odvzema materiala (količina odrezkov, ki jo odstranimo na časovno enoto) je indikator za produk‐ tivnost. Na sliki je prikazano območje, ki je določeno z globino reza, podajanjem in rezalno hitrostjo ter omejeno s tehnološkimi dejavniki (npr. razpoložljiva moč, površinska hrapavost ...). Vsaka kombinacija rezalnih parametrov znotraj tega območja zagotavlja tehnološko ustrezno delovanje orodja. Pravo tehnično‐ekonomsko optimizacijo dosežemo z izbiro kombinacije, ki prinaša tudi želene gospodarske učinke.

Pristop je ponazorjen na Sliki 10:9. Optimizacija pogojev pri odrezavanju je dvostopenjski pro‐ ces. V prvem koraku moramo določiti okno, znotraj katerega bo mogoče spreminjati delovne pogoje za rezalno orodje pri dani nalogi. To delovno območje omejuje izbiro rezalnih parame‐ trov, in sicer navzgor in navzdol. Sprejemljiva je vsaka kombinacija rezalnih parametrov znotraj delovnega območja in ker so upoštevane vse tehnološke omejitve, ne pričakujemo tehničnih težav. V drugem koraku nato določimo kombinacijo rezalnih parametrov za največjo produktiv‐ nost, najmanjše stroške obdelave, največjo zanesljivost, največjo kakovost obdelane površine …

Praktična izvedba drugega koraka optimizacije je opisana v naslednjem poglavju.

10.4 Praktična strategija optimizacije Postopek, opisan v naslednjem poglavju, zahteva precej računanja. Optimizacije se lahko v prak‐ si lotimo tudi bolj pragmatično. Najprej določimo tehnične meje, znotraj katerih lahko uvajamo spremembe: razpoložljiva orodja in njihove lastnosti, lastnosti obdelovalnega stroja, vrsta obde‐ lovanca ... Nato nadaljujemo z naslednjimi koraki: 1. Sprememba delovnih pogojev za izpolnitev optimizacijskih kriterijev (produktivnost, stro‐ škovna učinkovitost, zanesljivost …)

2. Sprememba rezalne geometrije, če obstoječa geometrija ne dopušča optimalnih delov‐ nih pogojev 3. Sprememba rezalnega materiala za omogočenje večjih rezalnih hitrosti oz. razširitev okna rezalnih hitrosti 4. Menjava zasnove rezalnega orodja s takšno, ki zagotavlja primernejše lastnosti za nalogo _____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 136

5. Sprememba geometrije rezalnega roba za agresivno optimizacijo obstojnosti orodja 6. Sprememba tehnike ali strategije obdelave. To je najtežji korak, ki zahteva, da celoten obdelovalni proces postavimo na nove temelje (zato je pri optimizaciji na zadnjem mestu).

10.5 Prilagoditev pogojev pri obdelavi Optimalne tehnično‐ekonomske rezultate z izbranim orodjem v okoliščinah dane delovne naloge najlažje dosežemo s prilagoditvijo delovnih pogojev. Postopek obsega več korakov: 1. Določite osnovna orodja, ki so na voljo za nalogo (uporabite npr. pristop kompleksnega obdelovanca), in se seznanite s tehnološkimi lastnostmi vsakega orodja. V tem koraku ustvarite zbirko orodij, ki so zadovoljiva po tehnične plati.

2. Določite končni tehnično‐ekonomski cilj. Ali je to produktivnost? Stroškovna učinkovi‐ tost, zanesljivost, kakovost obdelane površine?

3. Na podlagi prvega koraka določite tehnično delovno območje (Slika 10:9).

4. Določite največjo globino reza (najmanjše število prehodov) in maksimalno podajanje ter ju uskladite (oblikovanje odrezkov). Tako dobite najboljšo kombinacijo visoke stroškovne učinkovitosti in produktivnosti.

5. Preverite, ali razpoložljiva moč in stabilnost stroja omogočata kombiniranje globine reza in podajanja iz četrtega koraka z minimalno rezalno hitrostjo, ki jo dopušča orodje (npr. da ne bi nastopile težave z nalepkom).

6. Če je na voljo dovolj moči in stabilnosti, lahko z dodatnim povečanjem rezalne hitrosti še povečate produktivnost. S tem pa se tudi povečajo stroški orodja.

7. Če stroj ni dovolj močan ali stabilen, se vrnite na četrti korak, dodajte še en prehod (zmanjšajte globino reza) in ponovite postopek.

Po tem scenariju boste določili kombinacijo delovnih pogojev, ki v večini primerov zagotavlja največjo stroškovno učinkovitost in produktivnost. Odvisnost med delovnimi pogoji ter tehnič‐ nimi in ekonomskimi elementi optimizacije je prikazana na Sliki 10:10.

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 137

Slika 10:10 Relacije med rezalnimi parametri (rezalna hitrost vc, podajanje f in globina reza ap), nekaterimi parametri produktivnosti, stroškovnimi parametri (stopnja odvzema materiala SOM, obstojnost orodja T in površinska hrapavost obdelane površine Ra) ter ekonomskimi elementi proizvodnje (zmogljivost proizvodnje, proizvodni stroški in kakovost izdelkov)

Pomembno je, da v opisanem postopku ohranimo jasen pregled nad relacijami med rezalnimi parametri in obstojnostjo orodja ter s tem nad stroški orodja za dano nalogo.

Globina reza ima najmanjši vpliv na obstojnost orodja. Skušajte delati z velikimi globinami reza in število prehodov zmanjšajte na najmanjšo možno mero. Velika globina reza nima večjega vpli‐ va na obstojnost orodja. Izjema so šibki sistemi z nezadostno stabilnostjo, obdelovalni stroji z manjšo močjo, ostri rezalni robovi z manjšo trdnostjo in kadar se zahteva visoka kakovost obde‐ lane površine.

Vedno uporabite največje podajanje. Veliko podajanje je vedno koristno za proces odrezavanja, seveda pa obstajajo tudi praktične omejitve, kot je npr. hrapavost obdelane površine. Podajanje ima večji vpliv na obstojnost orodja kot globina reza, vendar manjši kot rezalna hitrost.

Na obstojnost orodja najbolj vpliva rezalna hitrost. Ta je tudi zadnji dejavnik, s katerim uravno‐ težimo proces za zmanjšanje nesprejemljive obrabe orodja.

Globina reza je pri večini nalog že delno fiksirana. Z obdelovanca je treba odstraniti določeno količino materiala v diskretnem številu prehodov, medtem ko rezalno hitrost in podajanje lahko spreminjamo zvezno. Slika 10:11 prikazuje podlago za odločanje o prednosti podajanja ali rezal‐ ne hitrosti. Če npr. povečamo rezalno hitrost s 180 na 200 m/min (10‐odstotno povečanje) za izboljšanje produktivnosti, pri čemer težko ohranimo dobro obstojnost orodja, se stopnja od‐ vzema materiala zviša samo za 10 %. Če pa povečamo podajanje npr. z 0,2 na 0,3 mm/vrt. (po‐ večanje za 50 %), se stopnja odvzema materiala zviša za 50 % in pogosto ohranimo precej dobro obstojnost orodja.

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 138

Slika 10:11 Vpliv rezalne hitrosti (levo) in podajanja (desno) na relativno stopnjo odvzema materiala

10.6 Sprememba rezalne geometrije Ko uveljavljamo opisane spremembe pogojev pri odrezavanju, se lahko izkaže, da nas pri dose‐ ganju kombinacije največje globine reza in podajanja omejuje rezalno orodje. V tem primeru moramo razmisliti o rezalnem orodju z lastnostmi, ki bodo primernejše za dano nalogo in okoli‐ ščine. Prvi korak je vrednotenje rezalne geometrije orodja. Njen vpliv na proces odrezavanja je pogosto podcenjen: kadar spremenimo rezalno geometrijo, se ne spremenijo samo lastnosti re‐ zalnega orodja, ampak tudi fizika procesa odrezavanja. Taka sprememba lahko vpliva npr. na oblikovanje odrezkov, mehansko trdnost rezalnega roba, rezalne sile …

Slika 10:12 Spremenite rezalno geometrijo za izboljšanje lastnosti rezalnega roba in ugodnejšo fiziko procesa odrezavanja (na sliki je ploščica za frezalo Seco Square6).

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 139

10.7 Sprememba rezalnega materiala

Slika 10:13 Okno rezalnih hitrosti lahko razširimo s spremembo rezalnega materiala.

Kadar izbiramo lastnosti novega orodja, ki bo primernejše delovni nalogi ali razmeram pri odre‐ zavanju, lahko po presoji rezalne geometrije nadaljujemo z rezalnim materialom. S spremembo rezalnega materiala se nam odpre novo okno razpoložljivih rezalnih hitrosti, npr. če je bilo raz‐ položljivo območje rezalnih hitrosti preozko glede na zmožnosti obdelovalnega stroja za visoko‐ hitrostno odrezavanje, ali če se želimo z manjšimi rezalnimi hitrostmi izogniti težavam z nalepkom.

10.8 Sprememba celotnega koncepta orodja

Slika 10:14 Z izbiro drugačnega koncepta orodja lahko izboljšamo gospodarnost procesa.

Sprememba rezalne geometrije ali materiala rezalnega orodja je majhna prilagoditev ene od osnovnih lastnosti rezalnega orodja, pri kateri pa ne zavzamemo širšega pogleda nad situacijo.

Včasih je bolj smiselno, da se posvetimo celotnemu konceptu rezalnega orodja. Vsaka lastnost rezalnega orodja sicer vpliva na njegovo vedenje v procesu, vendar se to vedno dogaja v interak‐ ciji s preostalimi lastnostmi. Rezalna geometrija, rezalni material in osnovna geometrija (osnov‐ _____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 140

na oblika in dimenzije ploščic) so tri lastnosti, ki so pomembne vsaka zase, še pomembnejša pa je kombinacija vseh treh. Močni osnovna geometrija in rezalna geometrija zagotavljata zelo sta‐ bilen in močan rezalni rob. Odpornost proti mehanskim obremenitvam tedaj skoraj v celoti izha‐ ja že iz geometrije orodja in manj smo omejeni pri žilavosti rezalnega materiala. Ta je lahko trši in okno rezalnih hitrosti se razširi. Velja tudi obratno: če potrebujemo ostro geometrijo, npr. za‐ radi manjših rezalnih sil (pri obdelavah, ki so občutljive za vibracije), zahtevane žilavosti rezalne‐ ga roba ne prinese geometrija, ampak bolj žilav rezalni material. S tem pa se spet pripre okno rezalnih hitrosti.

10.9 Sprememba geometrije rezalnega roba

Slika 10:15 S spremembo geometrije rezalnega roba lahko dosežemo optimalno kombinacijo rezalne hitrosti in obstojnosti orodja.

Pri nalogah, kjer sta izjemno pomembni velika hitrost in dolga obstojnost orodja (npr. pri viso‐ kohitrostnem odrezavanju), je dragocena možnost izbire geometrije oz. priprave rezalnega roba.

Za vsako nalogo je mogoče izbrati najboljšo geometrijo rezalnega roba, ki zagotavlja dobro rav‐ novesje med rezalno hitrostjo in obstojnostjo orodja. V praksi pa delo s to lastnostjo rezalnega orodja ni tako preprosto. Kakršnakoli sprememba geometrije rezalnih robov (v smeri večje tr‐ dnosti, ostrine ali kjerkoli vmes) namreč zahteva podrobno in poglobljeno preučitev fizike odre‐ zavanja ter vseh interakcij med rezalnim robom in obdelovanim materialom. Obstaja tudi velik razkorak med zahtevami glede geometrije rezalnega roba in dejanskimi možnostmi za dosledno izdelavo predpisane geometrije na vseh rezalnih robovih. Vse je mogoče, toda nič ni zastonj!

10.10 Sprememba tehnike ali postopka obdelave Tehnično‐ekonomska optimizacija včasih tudi po vseh opisanih korakih ne prinese želenih rezul‐ tatov, zato moramo na koncu pretehtati celoten pristop k obdelavi izdelka. Naloga je zahtevna, saj moramo upoštevati vse elemente proizvodnje. Prednost takega pristopa je, da zaobjame ce‐ loten obdelovalni proces in spremembe lahko prinesejo velik učinek. Zahteva tudi multidiscipli‐ narna znanja, saj moramo analizirati vse elemente v proizvodnji ter oceniti njihov vpliv na proces odrezavanja in njegove rezultate, tj. dokončane izdelke v zahtevani kakovosti, v načrtovanem času in v okviru načrtovanih stroškov.

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 141

Slika 10:16 S spremembo tehnike ali postopka obdelave se lahko približamo globalnemu optimumu obdelovalnega procesa. Tak pristop presega ozek okvir tehnologije orodij in odrezavanja ter zajame vse elemente proizvodnje in orodja.

Spremembe tehnik oz. metod in strategij obdelave lahko uvajamo reaktivno ali proaktivno.

Sprememba tehnike obdelave naj bo zadnji korak reševanja problema pri reaktivnem pristopu, torej v obstoječem obdelovalnem procesu. Rešitve, do katerih pridemo v predhodnih korakih, bodo namreč v večini primerov hitrejše in cenejše. Pri novem obdelovancu ali nalogi, kjer so vse možnosti še odprte in delujemo proaktivno, pa bo najboljše izhodišče izbira najprimernejše teh‐ nike obdelave.

Opisani scenarij v resnici nikoli ne poteka kot linearen proces: gre za krožen proces, kjer je vsak element v interakciji z vsemi drugimi. Izbira scenarija obdelave vpliva na izbiro rezalnega orodja, zato je treba čim prej vključiti tudi izbiro rezalnih parametrov z vsemi posledicami. Po drugi stra‐ ni pa si z izbiro vrste rezalnega orodja in pogojev pri odrezavanju že omejimo izbor tehnik odre‐ zavanja, ki so nam na voljo.

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 142

Ekonomski vidiki procesov odrezavanja Pri višini skupnih stroškov je odločilna uspešnost procesa odrezavanja. Glavni dejavniki, ki vpliva‐ jo na stroške, so prekinitve in stopnja zavrnitve izdelkov, medtem ko je vpliv časa rezanja na stro‐ ške pogosto precenjen. Sodobni pristopi k organizaciji proizvodnje dajejo večji poudarek zaneslji‐ vemu delovanju proizvodnega sistema kot maksimalni proizvodnji. Motnje proizvodnje lahko analiziramo z matriko uspešnosti proizvodnje, s katero ocenjujemo vpliv različnih dejavnikov na rezultate. Modele stroškov obdelave delimo na glavni skupini mikro‐ in makromodelov, pri čemer je pogostejša uporaba mikromodelov. Vsi ti modeli obravnavajo procese odrezavanja s precej ozkega vidika, njihova uporabnost pa je v tem, da neposredno povezujejo stroške s parametri procesa, kot sta rezalna hitrost in podajanje. Celovitejši in manj specifični makroekonomski mo‐ deli obravnavajo obdelavo s širšega vidika. V teh modelih ima večjo vlogo celoten čas, ki je po‐ treben za izdelavo izdelka. Prednost makroekonomskih modelov je v tem, da ne precenjujejo stroškov, povezanih z rezalnimi orodji in s časom rezanja, in da ne podcenjujejo drugih večjih stroškov v proizvodnji.

11.1 Prekinitve in motnje procesov odrezavanja Procese odrezavanja in rezultate teh procesov analiziramo in presojamo s pomočjo matrike uspešnosti proizvodnje (angl. production performance matrix, PPM). Izhodne parametre posa‐ meznega procesa lahko razdelimo v naslednje kategorije: - Parametri kakovosti, npr. dimenzije, površine in druge zahtevane lastnosti, včasih skupaj s parametri funkcionalnosti in zmogljivosti - Parametri prekinitev se nanašajo na prekinitve zaradi dogodkov, ki so povezani s procesom.

- Parametri zmogljivosti procesov in hitrosti proizvodnje, npr. število gotovih izdelkov in ko‐ ličina odrezkov na enoto časa - Parametri okolja in recikliranja v zvezi z rezalnimi orodji in drugo opremo, rabo pomožnih sredstev v procesu, porabljeno energijo, odpadki in možnostmi recikliranja

Slika 11.1 Matrika uspešnosti proizvodnje (PPM) za vrednotenje relacij med izhodnimi parametri in skupinami faktorjev

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 143

Faktorje, ki vplivajo na rezultate, lahko razdelimo v naslednje kategorije: A. Orodja in orodni sistemi: geometrijski faktorji (makro‐ in mikrogeometrija), faktorji površi‐ ne (lastnosti površine, prevleke itd.), faktorji materiala (trdota, žilavost itd.)

B. Obdelovanec in obdelovani material: fizikalni faktorji (togost, toplotna kapaciteta itd.), fak‐ torji, povezani s površino (topografija, kemična sestava, struktura, trdota itd.), faktorji, po‐ vezani z materialom in njegovo strukturo (odrezovalnost) C. Proces in parametri procesa: faktorji opreme (togost, učinek dušenja itd.), faktorji parame‐ trov procesa (rezalni parametri), pomožne snovi v procesu (maziva, zaščitni plini itd.), pro‐ ceduralni faktorji (delovni postopki, menjave orodij itd.)

D. Kadri in organizacija: standardni delovni postopki, vodilne funkcije, ukrepi v primeru odpo‐ vedi procesov itd.; struktura dela, odgovornosti, prostor za osebno iniciativo itd.

E. Vzdrževanje in servis: faktorji, povezani z orodji; faktorji, povezani s procesom in opremo; redno in izredno vzdrževanje in popravila F. Posebni faktorji: vsak obdelovalni postopek ima edinstvene značilnosti, kot je pojav nalep‐ ka, razenje površin ...

G. Periferna oprema: naprave za strego materiala, prijemala, transportni trakovi ...

Matrika uspešnosti proizvodnje povezuje izhodne parametre s faktorji v različnih skupinah. Za procese odrezavanja ni nenavadno, da na nek izhodni parameter vpliva tudi do 50 faktorjev, vsak od njih posebej ali skupaj z drugimi. Seznam vseh faktorjev, ki so lahko relevantni za dani izhodni parameter, omogoča celovito oceno sredstev in možnosti za premik izhodnega parame‐ tra v želeno smer.

Podatke, ki jih zberemo med analizo proizvodnega procesa, lahko razvrstimo v matriki uspešno‐ sti proizvodnje za primerjavo rezultatov različnih kombinacij dejavnikov in izhodnih parametrov.

Iz matrike lahko nato izpeljemo ključne kazalnike uspešnosti, kot so stopnje zavrnitev, stopnje prekinitev, izgube zaradi podaljšanja ciklov itd. Na podlagi teh kazalnikov uspešnosti lahko ugo‐ tavljamo stroške komponent.

Na Sliki 11.2 je prikazano, kako iz interakcij med proizvodom in proizvodnjo izhajajo stalne iz‐ boljšave izdelovalnosti proizvoda in stalno zmanjševanje stroškov. V razvoju proizvoda se odlo‐ čamo o materialu in o končni obliki obdelovanca. Izbor materiala vpliva na velikost in obliko ob‐ delovancev na poti do končnega izdelka. Končni izdelek bo manjši od obdelovanca, ker z njega med obdelavo odstranimo material.

Pri planiranju proizvodnje izbiramo postopke, obdelovalne operacije, načine pritrditve obdelo‐ vancev, pa tudi orodja in rezalne parametre. S prilagoditvami vsega naštetega dosegamo različ‐ ne optimizacije. Rezultate preverjamo s sistematično analizo proizvodnje, v kateri merimo ključ‐ ne kazalnike uspešnosti (KKU), kot so kakovost obdelovancev, prekinitve in zmogljivost proiz‐ vodnje. Na podlagi podatkov iz sistematične analize proizvodnje računamo različne ključne ka‐ zalnike uspešnosti proizvodnje, kot sta stopnja izkoriščenosti strojev in stopnja zavrnitev. Rezul‐ tati analize pokažejo tudi področja, ki bi bila obetavna za nadaljnji razvoj proizvodnje. Za vsako od njih ocenimo proizvodne stroške na podlagi KKU in razne ekonomske parametre. Različne smeri razvoja nato primerjamo glede na pričakovane izboljšave KKU in spremembo proizvodnih stroškov.

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 144

Slika 11.2 Diagram prikazuje stalno interakcijo med razvojem in proizvodnjo, s katero se postopoma izboljšuje izdelovalnost in zmanjšujejo proizvodni stroški.

V nadaljevanju je podan primer analize odpovedi orodja pri struženju nekega obdelovanca. Pro‐ blem so prekinitve zaradi občasnih odpovedi orodja z naslednjimi možnimi posledicami: 1. škoda na stroju, ki zahteva popravilo, 2. škoda na sistemu za pritrditev obdelovanca, ki zahteva popravilo, ponovno nastavitev in meritve nastavitvenih dolžin, 3. škoda na obdelovancu, 4. škoda na orodnem držalu in ploščici, 5. škoda samo na ploščici.

Možnosti 1, 2, 4 in 5 so lahko povezane z materialnimi stroški in z izgubo zaradi prekinitev proiz‐ vodnje. Možnost 3 lahko povzroči zavrnitev obdelovanca v kontroli kakovosti, če škode pred tem ne odpravimo, s čimer pa spet upočasnimo proizvodnjo. Odpoved orodja ni enostaven problem in jo lahko povzročijo različni dejavniki ali vrsta motenj, zato je težko predlagati rešitev, ki bi bila univerzalna. V primeru loma rezalnega roba lahko z analizo prelomne ploskve identificiramo konkreten niz motenj in določimo ustrezne ukrepe za odpravo težave.

Predpostavimo, da orodje dela v naslednjih okoliščinah, ki lahko privedejo do njegove odpovedi: - Orodje je izpostavljeno obremenitvam, ki so že prevelike ali se še povečujejo.

- Orodje je oslabljeno zaradi nastanka zarez, zaradi drugih sprememb geometrije ali zaradi sprememb v materialu.

Problema se lahko lotimo na naslednji način: 1. Postavimo točno definicijo problema.

2. Raziščemo vzročne povezave in opredelimo verige vzročnosti.

3. Vzročne povezave razvrstimo po verjetnosti, da bo problem mogoče razrešiti z vplivanjem nanje.

4. Ocenimo potrebne ukrepe in povezane stroške. _____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 145

5. Določimo različne faktorje, ki lahko vplivajo na posamezne izhodne parametre, ocenimo nji‐ hov relativni vpliv in primerjamo faktorje po tem vplivu.

6. Razvijemo načrt, po katerem se bomo lotili teh faktorjev, da bi odpravili problem.

7. Načrt izvedemo.

8. Ovrednotimo rezultate.

Slika 11.3 Tehnični faktorji, ki pojasnjujejo pojav določene oblike odpovedi orodja

S tehnično preiskavo lahko identificiramo različne vrste obrabe in prelomnih ploskev pri odpo‐ vedi orodja. Večina prelomnih ploskev povzroči, da orodje ni več sposobno delovati na predvi‐ deni način. Z njihovo analizo obenem natančneje ugotovimo vedenje orodja in vzroke za njego‐ vo odpoved. Ocenimo lahko tudi pomen vloge teh vzrokov pri odpovedi orodja. V spodnji pre‐ glednici je podan primer, pri katerem je bila uporabljena absolutna skala (v tretjem stolpcu) za moč faktorja od 0 do 5. Faktorji z vrednostjo 0 ali 1 niso bili vključeni v preglednico oz. matriko.

Preglednica 11.1 Primer uporabe matrike uspešnosti proizvodnje v analizi vzrokov odpovedi orodja

Skupine faktorjev – faktorji

Moč faktorja

Komentarji

A

Orodje – rezalni rob

A1

Tip rezalnega roba

A2

Makrogeometrija – velikost

3

Debelina, dolžina rezalnega roba

A3

Makrogeometrija – oblika

4

Kot konice, cepilni kot

A4

Mikrogeometrija – posnetje

4

Kontura linije roba

A5

Mikrogeometrija – radij roba

4

Premajhen radij ali neprimerna oblika

A6

Poškodovana linija roba

5

Škoda zaradi uporabe

A7

Tolerance in natančnost stika

4

Napaka v izdelavi rezalnega roba

A8

Napake v prevleki

3

Pomanjkljiva adhezija

A9

Spremenljive lastnosti rezalnega roba

3

Napake v izdelavi

B

Obdelovani material

B1

Močan upor pri odrezavanju

4

Visoka trdota

B2

Trdi vključki

4

Velik lokalni upor pri odrezavanju

B3

Struktura materiala

5

Ferit, avstenit …

B4

Skorja na ulitku

4

Trda skorja, ki povzroča obrabo

B5

Geometrijska odstopanja

3

Spremenljive dimenzije materiala

2

Toplotne obremenitve

5

Napačen tip, morda faktor D

C

Parametri procesa

C1

Rezalna hitrost

C2

Podajanje (teoretična debelina odrezka)

5

Mehanske obremenitve

C3

Globina reza (dolžina rezalnega roba, ki reže)

2

Možna povezava z B5

C4

Zaporedje operacij ali kot kopiranja

3

Majhen prosti kot

C5

Aksialna višina orodja

3

Napačen prosti kot

C6

Zanesljivost pritrditve

2

Deformacije ali odstopek krožnega teka

C7

Stabilnost procesa

2

Pojav vibracij

D

Organizacija in osebje

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 146

D1

Nepravilna montaža rezalnega roba

5

Skupaj z napačnim rezalnim robom

D2

Poškodovana podporna ploščica ali oporna povr‐ šina

5

Povečane mehanske in toplotne obremenitve

D3

Nesnaga, delci odrezkov itd. v žepih za ploščice

3

Glejte faktor D2

D4

Obrabljen rezalni rob

4

Napake pri menjavi

E

Obraba in vzdrževanje

E1

Zarezna obraba na glavnem rezalnem robu

4

Lokalna obraba

E2

Zarezna obraba na pomožnem rezalnem robu

3

Lokalna obraba

E3

Kotanjasta in zarezna obraba

5

Lokalna obraba

E4

Kotanjasta obraba

4

Lokalna obraba

E5

Obraba proste ploskve

1

Enakomerna obraba

E6

Plastične deformacije

2

Deformacije orodja

E7

Progresivna obraba

4

Delno v povezavi z D4

E8

Nastanek vzporednih razpok

4

Prekinjena obdelava

E9

Nastanek tankih razpok

3

Toplotne in mehanske obremenitve

E10

Spremembe v materialu in strukturi

2

Kemične reakcije

E11

Luščenje na cepilni ali prosti ploskvi

4

Močne lokalne obremenitve

E12

Krušenje rezalnega roba

3

Nastanek vzporednih razpok

F

Posebne okoliščine pri obdelavi

F1

Udarci odrezkov

3

Poškodovan rezalni rob

F2

Zastoji odrezkov

3

Običajno pri spuščanju orodja

F3

Pojav nalepka

2

Nenavadno za nekatere materiale

Faktorji in nivoji faktorjev iz Preglednice 11.1, pri katerih postanejo vplivi na obremenitve in obremenljivost rezalnega orodja tako veliki, da lahko privedejo do odpovedi orodja, so prikazani na slikah 11.4 in 11.5.

Slika 11.4 Faktorji in nivoji faktorjev iz Preglednice 11.1, pri katerih postanejo vplivi na obremenitve rezalnega orodja tako veliki, da lahko privedejo do odpovedi orodja

Nivo Nivo Nivo

Obremenljivost

Slika 11.5 Faktorji in nivoji faktorjev iz Preglednice 11.1, pri katerih postanejo vplivi na obremenljivost rezalnega orodja tako veliki, da lahko privedejo do odpovedi orodja

Če to dopuščajo okoliščine, bi se lahko v zgornjem primeru odločili za uporabo rezalnega orodja, ki je bolj obstojno proti obrabi in obenem bolj nagnjeno k odpovedi. Faktorja E1 in E3 sta namreč pogosta povzročitelja zgodnje odpovedi orodja, saj zarezna obraba in obraba v obliki kotanje zmanjšata obremenljivost orodja. Na podlagi analize celotne situacije pripravimo načrt ukrepov, kot je primer v Preglednici 11.2. Pri tem se ravnamo po priporočilu, da se z ukrepi najprej lotimo faktorjev z močjo 5 (Preglednica 11.1), če to ne zadostuje, pa po vrsti nadaljujemo s faktorji moči 4, 3 in 2, seveda upoštevaje tudi stroške. Ukrepi morajo učinkovito in brez nepotrebnih stroškov zmanjšati pojav odpovedi orodja. Razmisliti moramo tudi o morebitnih neželenih učin‐ kih uvedenih ukrepov in ali jih lahko dopuščamo. Z zmanjšanjem podajanja lahko tako sicer

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 147

zmanjšamo odpovedi orodja, vendar se istočasno zmanjša tudi zmogljivost proizvodnje. Zato je smiselno, da ukrepe razvrstimo po splošni sprejemljivosti.

Preglednica 11.2 Možni vzroki in njihove posledice

Ukrepi

Dodatne posledice ali ukrepi

A1 D2 E3

Izbira bolj žilavega materiala Kontrola podložne ploščice Kontrola kotanjaste obrabe

Povečana obraba orodja Pogostejše menjave podložnih ploščic Pogostejše menjave orodja

A5 B3 C2 D1

Kontrola rezalnega roba Kontrola strukture materiala Zmanjšanje podajanja Kontrola pritrditve rezalnega roba

Sprememba ravnanja Sprememba sestave Zmanjšanje zmogljivosti proizvodnje Razvoj primernejšega sistema

Zadovoljiva rešitev? Da/ne

Uporaba bolj žilavega rezalnega roba kljub vsem prednostim prinese tudi pospešeno obrabo.

Lahko se pojavi niz motenj, kot je prikazan na Sliki 11.6.

Slika 11.6 Niz motenj (zgoraj) in neposredna vzročna povezava (spodaj) privedeta do enakega neželenega končnega stanja. Rešitvi enega in drugega problema pa sta povsem različni.

11.2 Klasični modeli gospodarnosti proizvodnje Večina klasičnih modelov gospodarnosti proizvodnje je mikroekonomske narave in oblikovanih na podlagi ene od oblik zapisa Taylorjeve formule. Teorija modelov, ki so predstavljeni v pričujo‐ čem poglavju, je zgrajena na predpostavkah, da ni odpovedi orodja ali prekinitev, da so rezalni parametri konstantni in da je glavni omejitveni dejavnik obstojnosti orodja ena od vrst progre‐ sivne obrabe, običajno stopnja obrabe proste ploskve (VB).

Spodnji model omogoča določitev rezalnih parametrov, ki izpolnjujejo naslednja pogoja: 1. minimalni stroški izdelka, 2. maksimalen pretok odrezkov v smislu maksimalne zmogljivosti proizvodnje.

Dva parametra, ki ju lahko nadzorujemo in optimiziramo z računskimi metodami po tem mode‐ lu, sta ekonomska obstojnost orodja Te in ekonomska rezalna hitrost vce, druge spremenljivke in parametri pa naj bodo konstantni.

Proizvodnja mora zagotavljati zahtevane rezultate z najmanjšimi stroški. Tukaj opisani pristop se uporablja predvsem tedaj, ko so stroji stalno izkoriščeni in je mogoče hitro izpolniti vsako naroči‐ lo. Stroški stroja km so sestavljeni iz nabavnih stroškov (amortizacije), najema prostorov, plač in stroškov orodja kt, ki vključujejo stroške rezalnih robov in orodnih držal:

kt 

k h kin  z h zed

Enačba 11.1

kjer je kh nabavna cena orodnih držal, zh obstojnost orodnih držal pri danem številu rezalnih ro‐ bov na držalo, kin nabavna cena ploščic in zed število rezalnih robov na ploščico. Stroški obdelave na izdelek Kpart so sestavljeni iz stroškov stroja in stroškov rezalnega orodja po Enačbi 11.2. _____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 148

t  t  K part  km  ti  t pct  ttct  i   kt  i T T 

Enačba 11.2

kjer je ti čas rezanja, tpct čas menjave obdelovanca, ttct čas menjave orodja in T obstojnost orod‐ ja. Pri vzdolžnem struženju izračunamo čas rezanja pri obdelavi kosa s premerom D in dani re‐ zalni hitrosti vc kot:

ti 

l   D  ap

Enačba 11.3

f  vc  a p

kjer je l aksialna razdalja rezanja in f podajanje. Ko vstavimo Enačbo 11.3 in Taylorjevo formulo v Enačbo 11.2, dobimo stroške obdelave na izdelek:  R  R R K part  k m   T m  t pct  t tct   T m 1   k t   T m 1 CT CT  CT 

Enačba 11.4

Stroški na izdelek so v Enačbi 11.4 izraženi kot funkcija obstojnosti orodja T. To enačbo upora‐ bimo za določitev minimalnih stroškov obdelave na izdelek pri fiksni vrednosti ap in f. 1  K Te    1   t  t tct m   Km

  

Enačba 11.5

Ekonomsko rezalno hitrost vce izračunamo s pomočjo Taylorjeve formule: v ce  C T  T e m

Enačba 11.6

Kadar imamo opravka z visoko stopnjo izkoriščenosti strojev in so dobavni roki kratki, imamo razlog za določitev nabora rezalnih parametrov, ki zagotavljajo maksimalno zmogljivost proiz‐ vodnje oz. maksimalen pretok odrezkov na enoto časa. Upoštevaje čas menjave orodja ttct lahko pretok odrezkov izračunamo kot:

dV T  a p  f  vc  dt T  ttct

Enačba 11.7

Ko vstavimo Taylorjevo formulo v Enačbo 11.7 in izračunamo optimum, dobimo:

1  Tm  ttct   1 m 

Enačba 11.8

Potrebno rezalno hitrost za maksimalno zmogljivost proizvodnje izračunamo tako, da vstavimo obstojnost orodja Tm v Taylorjevo formulo. v cm  C T  T m m

Enačba 11.9

Skupni stroški obdelave na izdelek po opisanem modelu so vsota fiksnih stroškov ter stroškov stroja in orodja, ki jih določimo na enega od predstavljenih načinov. Delni in skupni stroški obde‐ lave so prikazani na Sliki 11.7.

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 149

Kx

300

20

dV/dt

T(c) [min]

250

cm

15

200

dV/dt

150

10

T(c) Kport

ce

100

Km

5

50 Kt

0

0

100

200

300

400

500

c

0 600

Slika 11.7 Primer stroškov obdelave na izdelek Kx in stopnje odvzema materiala kot funkcije rezalne hitrosti vc

Krivulja stroškov obdelave na izdelek kot funkcija rezalne hitrosti ima zelo raven minimum pri vce. Krivulja hitrosti proizvodnje kot funkcije rezalne hitrosti ima maksimum pri vcm, ki predstavlja zgornjo mejo rezalne hitrosti.

11.3 Simulacije ekonomike proizvodnje V nadaljevanju je predstavljen splošen makroekonomski model, ki je delno uporaben tudi za procese odrezavanja. Model določa čas izdelave proizvoda, ki je pomemben faktor pri določanju proizvodnih stroškov in s tem konkurenčnosti procesov odrezavanja. Izdelavni čas v veliki meri določa tudi kapaciteto proizvodnega sistema, tako da je glavni dejavnik pri odločanju o velikosti proizvodnega sistema. Časi in zmogljivost pri serijski proizvodnji Nominalni izvajalni čas obdelave obdelovanca oz. čas cikla t0 lahko zapišemo kot:

t0  tm  th  ttct  tno

Enačba 11.10

Čas cikla t0 je vsota časa stroja tm, časa rokovanja z obdelovancem th, časa menjave orodja ttct in dodatnega časa tno. Privzamemo, da se te operacije izvajajo zaporedno in predstavljajo točko planiranja (gl. definicijo na strani 153, op. p.). Časa cikla iz praktičnih razlogov običajno ne delimo zaradi težav pri določanju mej med časi me‐ njave orodja in nekaterimi delnimi časi, ki sestavljajo čas rabe stroja. Čas menjave orodja je od‐ visen tudi od obdelovalnega postopka in od strojnega parka. Rezalno orodje lahko zamenjamo zaradi enega od dveh razlogov:  Orodje ne deluje zadovoljivo zaradi obrabe ali poškodbe. V takem primeru morda zado‐ stuje, da zamenjamo samo del orodja, npr. da namestimo nov rezalni rob.  Potrebno je drugačno rezalno orodje, ki se razlikuje od starega po lastnostih ali funkci‐ jah. To morda pomeni, da moramo vpeti novo rezalno orodje. Čas stroja tm, ki ga sestavljajo različni zaporedni delni časi oz. procesi, zapišemo kot: _____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 150

tm  ti  ttr  tsp  tkvs

Enačba 11.11

kjer je ti čas obdelave (čas rezanja), torej čas, ko je orodje v stiku z obdelovancem in ga spremi‐ nja. Pri mnogih obdelovalnih postopkih moramo orodje in obdelovanec pred začetkom obdelave postaviti v določeno lego. Čas internega transporta v stroju je upoštevan v členu ttr. Pri obdelavi so potrebni tudi različni podporni procesi, kot je čiščenje ali dovajanje različnih pomožnih sred‐ stev (npr. hladilno‐mazalne tekočine). Ti podporni procesi so v enačbi zajeti v času tsp. Obdelava lahko vključuje tudi korake zagotavljanja kakovosti gotovega dela ali proizvoda, npr. meritve ne‐ posredno na obdelovancu. V tem času tkvs obdelava običajno stoji. Čase v enačbah 11.10 in 11.11, ki jih ni mogoče določiti za vsak obdelovanec posebej, lahko po‐ gosto določimo za celo serijo. Če npr. opravimo kontrolno meritev po obdelavi vsakega desetega kosa, lahko ta čas razdelimo sorazmerno po vseh obdelovancih, ali pa ga ustrezno pripišemo celi seriji obdelovancev.

Dejanski proizvodni čas tp je daljši od nominalnega časa cikla t0 zaradi motenj, ki povzročajo za‐ stoje. Obseg teh motenj lahko izrazimo kot količnik časa prekinitev tS in merjenega oz. dejanske‐ ga proizvodnega časa tp. Vsota časa prekinitev in časa cikla je proizvodni čas. Proizvodni čas z upoštevanimi prekinitvami torej lahko izračunamo tudi iz časa cikla t0 in deleža prekinitev. Časi in zmogljivost pri tekoči proizvodnji V proizvodnji tekočega tipa se vsi koraki obdelave odvijajo bolj ali manj istočasno, princip je pri‐ kazan na slikah 11.9, 11.10 in 11.11. Kot točko načrtovanja lahko vzamemo celoten tok, pri čemer je skupni čas obdelave kosa odvisen od števila delovnih mest in od časa obdelave na vsa‐ kem od njih.

Slika 11.8 Sunkovita proizvodnja na vrsti delovnih mest

V proizvodnji industriji že desetletja prevladuje tekoči tip. Zaradi vse dražje proizvodne opreme in dostopnosti cenenih računalniških zmogljivosti pa je danes vse več poudarka na funkcijski organizaciji proizvodnih sistemov, s katero se izboljša stopnja izkoriščenosti opreme. V funkcij‐ sko usmerjeni delavnici lahko opremo razmestimo za kombinacijo funkcijskega in tekočega tipa proizvodnje. Pri drugi hibridni rešitvi za zvišanje stopnje izkoriščenosti zelo drage proizvodne _____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 151

opreme se tako na istem stroju križata dva različna toka proizvodnje in izkoriščamo vmesna skladišča.

Slika 11.9 Tekoči tip proizvodnje

Serijska proizvodnja lahko poteka v funkcijski ali tekoči razmestitvi, kot je razvidno iz slik 11.8 in 11.10. V obeh primerih lahko delamo s točko načrtovanja, čeprav je celotna stopnja izkoriščeno‐ sti v primeru na Sliki 11.10 precej nizka. Pri sunkoviti proizvodnji se cela serija obdela na eni po‐ staji, preden se premakne na naslednjo (Slika 11.8). Zaradi čakanja na premike med postajami se vzpostavijo vmesna skladišča. Proizvodnjo na Sliki 11.10 sestavlja več bližnjih delovnih mest brez vmesnih skladišč. Vsak obdelovanec se ustavi na vseh treh delovnih mestih.

Slika 11.10 Tekoča proizvodnja serije na treh delovnih mestih

Osnovni izračuni proizvodnih stroškov Nobene potrebe ni, da bi uporabljali stroškovne modele s stopnjo natančnosti, ki bi bila nepri‐ merno visoka glede na vse negotovosti pri določanju glavnih stroškovnih postavk. Stroškovni modeli pogosto vsebujejo kritične vhodne podatke različnih vrst, ki lahko zelo vplivajo na rezul‐ tate modela. Najtežje je točno določiti stroške plač in opreme z vsemi povezanimi posrednimi stroški. Vsak stroškovni model mora izpolnjevati naslednje zahteve: -

Rezultati modela morajo zagotavljati zanesljivo podlago za odločanje.

Vhodni podatki modela morajo biti objektivni, preverljivi in relevantni za dani nivo ob‐ delave.

Obstajati mora možnost ocene občutljivosti modela in negotovosti, povezane z njim.

Uporaba modela ne sme biti zahtevna.

Glede na namen stroškovnega modela moramo oblikovati več predpostavk. Model mora opre‐ deljevati stroške na tisti ravni, kjer se bodo dogajale načrtne spremembe in razvoj. Če se pri od‐ ločanju o spremembah proizvodnih postopkov ne omejimo le na stroške plač in opreme, pove‐ zane z načrtovanimi spremembami, temveč upoštevamo tudi spremembe stroškov, ki niso ne‐ posredno povezane s proizvodnimi postopki, sprejemamo odločitve tudi na podlagi informacij, ki so zavajajoče ali nerelevantne. Če jemljemo stroške plač in opreme kot delno osnovo za odlo‐ čanje o razvoju boljših proizvodnih postopkov, povečanja stroškov iz naslova razvoja torej ne smemo pripisati kateremu drugemu področju delovanja podjetja, ki ni neposredno povezano s tem.

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 152

Slika 11.11 Tok proizvodnje, sestavljen iz dveh korakov z vmesno zalogo

Stroške stroja oz. proizvodne linije lahko razdelimo na kCP oz. stroške opreme v rabi in kCS, stro‐ ške opreme, ko ta ni v rabi. Obe stroškovni kategoriji v modelu vključujeta tudi vrsto drugih stro‐ škov, ki jih pripisujemo med stroške opreme, kot so investicijski stroški, najemnina z električno energijo, ogrevanjem ali hlajenjem delavnice, stroški vzdrževanja, stroški orodja itd., vendar brez stroškov dela. Stroškovni model za izbrani korak obdelave, ki predstavlja točko načrtovanja, lah‐ ko temelji na: -

materialnih stroških za izdelke, kB, strošek/izdelek, stroških opreme v rabi, strošek/uro, kCP, stroških opreme, ko ta ni v rabi, strošek/uro, kCS, stroških osebja, vključno z režijskimi stroški, strošek/uro, kD.

Pojem »točka načrtovanja« se nanaša na jasno razmejen korak obdelave, za katerega je mogoče identificirati daljši čas cikla skupaj z vsemi možnimi izgubami. Za točko načrtovanja je značilen vnaprej določen nominalni čas cikla skupaj z nominalnim pretočnim časom za dani izdelek ali serijo. Točka načrtovanja lahko torej vključuje enega ali več strojev na delovnih mestih. Lahko je ena linija toka proizvodnje ali pa en sam obdelovalni stroj. Linijo toka proizvodnje lahko opišemo kot veliko točko načrtovanja, ki omogoča izvajanje več različnih operacij, nekaterih od njih tudi istočasno.

Slika 11.12 Korak obdelave kot točka načrtovanja s prikazom obdelovalnih strojev.

Točka načrtovanja zgoraj je en stroj, spodaj pa trije stroji v liniji toka proizvodnje.

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 153

Slika 11.12 predstavlja dva primera točk načrtovanja v proizvodnji. Za vsakega od njiju je dolo‐ čen nominalni čas cikla. Zgoraj imamo opravka samo z enim obdelovalnim strojem in čas cikla t0 je vsota časov posameznih operacij. Spodaj imamo tri ločena delovna mesta, na katerih se vzpo‐ redno obdelujejo trije obdelovanci. Čas cikla t0 je odvisen od stroja z najdaljšim časom cikla.

Kot lahko vidimo, stroškovni model na podlagi točk načrtovanja upošteva serijsko in tekočo pro‐ izvodnjo. Predpostavljeno je, da urna plačna postavka ni odvisna od tega, ali stroji obratujejo ali stojijo. Stroški plač med pripravami na novo serijo in med proizvodnjo so enaki, menjava serije pa se v tem kontekstu šteje za zastoj. Stroški opreme so izraženi kot stroški opreme v točki načr‐ tovanja.

Stroške obdelave na izdelek lahko računamo na podlagi različnih stroškovnih postavk. Del njih je povezan z orodjem, druga skupina pa je povezana s stroški materiala ob upoštevanju stopnje zavrnitve. Zavrnjeni deli vplivajo na nominalno velikost serije. Kadar nas posebej zanimajo stro‐ ški zavrnjenega ali odpadnega materiala, lahko uvedemo faktor izmeta. Tretja skupina stroškov‐ nih postavk se nanaša na stroške opreme. Nekatere druge stroškovne postavke pokrivajo stro‐ ške opreme v povezavi s prekinitvami in menjavami serij. Stroški opreme za izdelavo delov, ki so pozneje zavrnjeni v kontroli kakovosti, se porazdelijo po nominalni velikosti serije. Zadnje stro‐ škovne postavke so stroški dela med obdelavo, prekinitvami in menjavami serij.

Določanje stroškov strojev in opreme je lahko težavna naloga zaradi čisto praktičnih razlogov.

Izračunamo jih lahko na različne načine in od tega je tudi odvisno, kako jih bomo uporabili. Pri knjigovodskem pristopu se uporabljajo različna načela, odvisno od ekonomske in tehnične situa‐ cije. Tehnična doba uporabnosti proizvodne opreme je pogosto od 2‐ do 4‐krat daljša od eko‐ nomske amortizacijske dobe. Eden od ciljev analize ekonomike proizvodnje je tudi možnost pri‐ merjave učinka različnih proizvodnih alternativ oz. razvojnih scenarijev. Vsaka primerjava sto‐ penj povečanja proizvodnje ali različnih ukrepov je lahko zelo problematična, če stroški niso bili izračunani na enak način. Izračune pa še dodatno otežuje dejstvo, da je v proizvodnih obratih zbrana najrazličnejša oprema z različnimi amortizacijskimi stopnjami.

Uporaba trenutne vrednosti opreme ni praktična podlaga za računanje stroška strojev, saj bi se proizvodni stroški stalno zmanjševali, starejša in v dobri meri že iztrošena oprema pa bi imela prednost pred novo, sodobnejšo opremo. Prav tako ne bi bilo smiselno, da bi izdelavo nekega sestavnega dela ali izdelka vedno znova selili po koncernu glede na amortiziranost proizvodnih kapacitet. Računski pristopi morajo biti zato usmerjeni v uporabo stroja čim daljši del njegove tehnične dobe uporabnosti. Izkušnje so pokazale, da je računanje anuitet zelo uporabno pri do‐ ločanju vrednosti kCP in kCS ne glede na izbrano amortizacijsko dobo. Primerljivost proizvodnih stroškov pri uporabi opreme z različnimi amortizacijskimi stopnjami lahko izboljšamo tako, da izberemo tehnično amortizacijsko dobo, ki je od 2‐ do 3‐krat daljša od ekonomske amortizacij‐ ske dobe. Vsa oprema se vrednoti glede na ceno njene zamenjave, prišteje pa se vsaj en remont.

Upoštevati moramo tudi neposredne stroške delovnih prostorov za zaposlene, stroške poslo‐ vodstva in stroške strokovnjakov, ki jih neposredno povezujemo s proizvodnjo. Vrednost kD iz‐ kustveno dosega največ 2,5‐kratnik bruto plače. Pogosta resna napaka pri računanju stroška člo‐ vek‐ure kD je, da tej kategoriji stroškov pripišemo velik del režijskih stroškov podjetja. Zaradi ta‐ kega pristopa lahko dobijo zunanji dobavitelji nezasluženo prednost pred razvojem lastne proiz‐ vodnje.

Nepopolna izkoriščenost proizvodnega sistema vpliva na vse stroške delov in komponent. S sta‐ lišča ekonomike proizvodnje jo lahko obravnavamo na različne načine. Neizkoriščene proizvodne zmogljivosti lahko predstavljajo sredstvo ali ekonomsko breme, odvisno od situacije. Dolgoročno stroške odvečnih kapacitet nosijo izdelki proizvodnega sistema. Manjši stroški najema in manjši _____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 154

stroški opreme (vrednost opreme) zaradi amortizacije niso nujno negativni. Odvečne kapacitete opreme lahko privedejo tudi do učinkovitejše rabe časa, ki je na voljo zaposlenim.

Spodnja poenostavljena formula popisuje nekatere zgornje preudarke v matematični obliki. Za podrobnejšo razlago modela, formul in vgrajenih načel je bralec napoten na učbenik Metal Cut‐ ting, Theories and Models (Obdelava kovin z odrezavanjem, teorije in modeli).

Strošek orodja

Strošek materiala obdelovanca

Stroški opreme in proizvodnje

Strošek opreme med zastojem Strošek dela

Stroški vzdrževanja

Stroški ravnanja, mrtvega časa in dodelav

Slika 11.13 Splošni model proizvodnih stroškov po Ståhlu7

7

Ståhl J‐E., Development of Manufacturing Systems – The link between technology and economics (učbenik), Oddelek za pro‐ izvodno inženirstvo in materiale, Univerza v Lundu, Lund, Švedska, 2013.

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 155

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 156

Sklep Praktični modeli Procesi obdelave kovin z odrezavanjem so kompleksni. Tudi po vseh obsežnih raziskavah so v znanju še vedno vrzeli, ki jih bo treba premostiti za popolno razumevanje interakcij med rezal‐ nim orodjem, obdelovanim materialom in drugimi parametri procesa. V tej knjigi smo predstavili praktično uporabno znanje in fizikalne modele na podlagi praktičnih opažanj pri obdelavi kovin z odrezavanjem. Modeli so povezani in kolikor je mogoče uporabljajo enotne parametre za fizi‐ kalno pojasnjevanje vedenja rezalnega orodja med procesom obdelave.

Fizika odrezavanja kovin, primeri dobre prakse Rezalne sile oz. mehanske obremenitve povzročajo napetosti v rezalnem orodju, skupaj z rezal‐ no hitrostjo pa se zato porablja energija za deformiranje obdelovanega materiala in na kontakt‐ nih površinah med orodjem in obdelovancem. Poraba energije v deformacijskih conah privede do povišanja temperature in toplotne obremenitve rezalnega orodja. Zaradi teh obremenitev lahko nastanejo toplotne napetosti, ki se prištejejo k mehanskim napetostim. Lastnosti rezalne‐ ga materiala in rezalna geometrija morajo ustrezati obremenitvam rezalnega orodja, tako me‐ hanskim kot toplotnim. Skupne obremenitve rezalnega orodja lahko obvladujemo s spreminja‐ njem delovnih pogojev, predvsem rezalnih parametrov. Obrabo in slabšanje rezalnega orodja nadzorujemo s porazdelitvijo obremenitev po orodju in s tribološkimi razmerami na stiku med orodjem in obdelovancem. Mehanske in toplotne obremenitve skupaj s časom obdelave prive‐ dejo do triboloških obremenitev. V mnogo primerih se temu pridružijo še kemične obremenitve v obliki kemičnih reakcij in difuzije, ki pri povišanih temperaturah potekajo še hitreje. Obstojnost orodja proti obrabi je odvisna od sil, ki delujejo na ploskve orodja, od temperature med proce‐ som in časa rezanja. Obstojnost orodja, stopnja odvzema materiala in iz tega izhajajoča skupna količina materiala, ki ga lahko odstranimo z enim rezalnim robom, izhajajo iz ravnovesja med lastnostmi orodja in celotnimi obremenitvami orodja med obdelovalnim procesom. Obstojnost orodja in dosegljiva stopnja odvzema materiala določata čas cikla in strošek orodja pri obdelavi izdelka.

Zveza med tehnologijo in ekonomiko Vsako spremembo proizvodne tehnologije lahko analiziramo tudi po ekonomski plati, le če upo‐ rabljamo enovit in dosleden model procesa odrezavanja. Zveza med tehnologijo in ekonomiko pridobiva svoj pomen, saj mora vsakega proizvajalca zanimati, kakšen gospodarski učinek pri obdelavi komponente prinaša sprememba izbrane lastnosti rezalnega orodja, npr. povečanje lomne žilavosti in protiobrabne obstojnosti orodnega materiala, izboljšanje geometrije orodja ali izboljšanje tehnologije prevleke.

Pomen znanja in izobraževanja Poglobljeno poznavanje fizike procesov odrezavanja je ključno za zanesljivo, produktivno in stro‐ škovno učinkovito proizvodnjo. Za to je potrebno strokovno znanje na treh področjih. Znanje o procesih odrezavanja je nujno za razumevanje delovanja rezalnega roba in njegovih interakcij z obdelovancem. Diagnostične veščine omogočajo postavitev pravilne diagnoze v dani situaciji ter iskanje osnovnih vzrokov npr. za slabšanje orodja ali obrabo, še posebej kadar so ti pojavi ne‐ sprejemljivi. Končno pa mora strokovnjak poznati tudi prave prijeme za odvrnitev neželenih oko‐ liščin med procesom odrezavanja ter za nadzor in napovedovanje obstojnosti rezalnega roba in orodja.

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 157

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 158

Stvarno kazalo A

K

Abrazija ....................................................................... 4, 115 Abrazivnost ................................................................. 34, 36 Adhezija .................................................4, 13, 115, 116, 126 Adhezivna obraba ............................................... 14, 35, 101

Kemične obremenitve ..................................................... 168 Kienzle ................................................................... 60, 62, 63 Kinematična hrapavost ........................................... 128, 129 Koeficient stroškovne uspešnosti (CPR) ............................ 15 Koncept orodja................................................................ 149 Konica.............................................................................. 129 Kot klina ...................................................................... 12, 21 Kot konice ................................................................... 21, 49 Kratki odrezki ............................... 40, 41, 42, 45, 47, 51, 144 Kriogena obdelava ............................................................ 86 Krušenje ..................... 42, 43, 94, 96, 99, 100, 116, 117, 121

C Cepilni kot .................................... 12, 21, 44, 46, 47, 99, 156

D Debelina odrezka ...... 12, 24, 28, 36, 44, 46, 47, 50, 60, 104, 131, 157 Deformacije..3, 18, 34, 36, 40, 46, 47, 78, 83, 85, 92, 95, 98, 100, 101, 117, 118, 129, 134, 157, 168 Deformacijsko utrjanje .................................. 36, 46, 47, 118 Diagram lomljenja odrezkov ................................. 49, 50, 51 Difuzija ............................................. 4, 95, 99, 101, 115, 168 Duktilnost ............................................. 11, 35, 40, 41, 44, 47 Duratomic ............................................................... 115, 142

L Lastnosti orodja............................................................... 149 Lom ........ 3, 42, 94, 96, 98, 99, 100, 103, 120, 155, 156, 168

M Matrika uspešnosti proizvodnje .............................. 152, 154 Mehanske obremenitve .................................................. 157 MQL................................................................................... 86

E Ekonomičnost ..................................................................... 5 Ekonomski modeli ................................................... 152, 158 Ekvivalentna debelina odrezka ........105, 106, 107, 108, 110

G Geometrija hrbta rezalnega roba .................... 24, 25, 49, 84 Geometrija rezalnega roba ............ 24, 25, 83, 117, 146, 150 Geometrija utora za odvajanje odrezkov .................... 24, 25 Geometrija za lomljenje odrezkov ...... 24, 26, 44, 48, 49, 50, 118, 119, 121

H Hägglund ................................................................. 107, 112 Hlajenje .................... 2, 3, 31, 44, 47, 84, 85, 86, 87, 88, 163 HPDC ........................................................................... 44, 86 Hrapavost po odrezavanju .............................. 128, 129, 130 Hrapavost površine ..........................128, 129, 130, 131, 132 Hrapavostni parametri ............................................ 127, 128

I Integriteta površine .................................................. 14, 124 ISO‐sistem .................................... 34, 37, 41, 42, 51, 80, 125 Izbira orodja ..................................... 7, 37, 41, 140, 141, 151

N Nagibni kot ............................................................ 13, 21, 22 Nalepek ...................................... 10, 101, 110, 116, 117, 118 Nastanek toplote...................... 14, 18, 21, 80, 81, 83, 86, 92 Nastavni kot ................................. 21, 22, 28, 44, 70, 75, 119 Negativna rezalna orodja ............................................ 23, 83

O Obdelana površina 14, 15, 19, 20, 24, 43, 46, 75, 80, 85, 88, 120, 124, 125, 128, 129, 130, 132, 133, 134, 135, 136, 143, 145, 146, 147 Oblikovanje odrezkov.. 13, 24, 33, 40, 41, 43, 44, 45, 47, 49, 51, 121, 129, 144, 146, 148 Obraba orodja ... 7, 14, 45, 47, 77, 84, 90, 91, 92, 93, 95, 96, 97, 98, 103, 120, 122, 142, 144, 147, 168 Obraba proste ploskve ...... 62, 91, 95, 96, 97, 100, 101, 115, 116, 118, 121, 158 Obraba rezalnega roba.............................................. 84, 131 Obraba v obliki kotanje ............ 91, 95, 96, 97, 115, 121, 158 Obstojnost orodja ... 7, 13, 18, 21, 24, 25, 35, 42, 43, 44, 46, 47, 74, 79, 80, 81, 82, 83, 85, 87, 88, 90, 93, 94, 96, 100, 101, 102, 103, 104, 120, 121, 139, 140, 144, 145, 146, 147, 148, 150, 158, 159, 160, 164, 165, 168, 169 Odpoved orodja ...................................... 155, 156, 157, 158 Odrezovalnost .............. 1, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 87, 154 Optimizacija ............. 121, 138, 139, 140, 141, 145, 146, 150

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 159

P Pasivna sila ........................................................................ 62 Plastične deformacije .............................. Glejte Deformacije Podajalna sila .............................................................. 62, 64 Površinska hrapavost 85, 123, 126, 127, 133, 134, 135, 136, 137, 147 Površinske napake .................................................. 129, 134 Pozitivna rezalna orodja .............................................. 23, 83 Prekinitve ........... 32, 139, 141, 143, 144, 152, 154, 155, 164 Prekinjeni odrezki ................................................. 10, 11, 47 Primarni profil ......................................................... 125, 126 Produktivnost 4, 5, 6, 85, 103, 121, 135, 138, 139, 140, 141, 143, 144, 145, 146, 147 Profil hrapavosti ....................... 125, 126, 127, 128, 133, 134 Profil valovitosti ...................................................... 125, 126 Proizvodna ekonomika ................................................ 4, 5, 6 Prosti kot ..................................................... 12, 21, 100, 157

R Radij konice ........................ 20, 22, 24, 44, 49, 118, 131, 135 Radij roba ................................................................ 108, 131 Razmerje proste dolžine ................................................... 69 Rezalna geometrija 3, 12, 14, 21, 24, 32, 83, 92, 98, 99, 104, 115, 117, 129, 146, 148, 149, 168 Rezalna konica .............................................. 13, 20, 21, 125 Rezalne sile ..3, 12, 13, 18, 21, 23, 24, 33, 50, 54, 57, 58, 59, 60, 62, 71, 84, 85, 123, 125, 129, 144, 148, 150 Rezalni material .. 7, 3, 18, 21, 22, 26, 27, 32, 46, 73, 77, 82, 92, 95, 98, 99, 104, 116, 146, 149, 150, 168 Rezalni rob ...................................................... 129, 130, 133

S

Temperature pri odrezavanju ..................21, 80, 83, 84, 118 Temperaturni gradient ...................................................... 92 Tlusty ................................................................................. 69 Toplotna prevodnost.......... 34, 36, 46, 80, 81, 83, 86, 88, 92 Toplotne obremenitve ............................................ 157, 168 Toplotne razpoke .................................................. 82, 92, 97 Trdnost rezalnega roba ................................. 51, 74, 83, 147 Trdota............................. 22, 36, 44, 80, 83, 92, 99, 154, 156 Tribološka obremenitev .................................................. 168

U Upor pri odrezavanju ................................................ 54, 156

V Vibracije ...... 43, 47, 62, 65, 66, 67, 68, 69, 71, 72, 116, 125, 129, 130, 135, 138, 144, 157 Vieregge ............................................................................ 78 Vzorci obrabe ......... 4, 91, 93, 95, 96, 97, 101, 115, 121, 133

W Woxén ..................................................................... 105, 106

Z Zanesljivost .................. 91, 96, 103, 139, 141, 144, 145, 146 Zarezna obraba .............................. 14, 95, 96, 118, 157, 158 Zasnova orodja .............................................................. 3, 31 Zaznavanje obrabe .......................................................... 142 Žilavost ...................................................92, 98, 99, 150, 154 Značilnosti orodja .............................................................. 44

Salomon ............................................................................ 59 Scenariji za optimizacijo .................................................. 138 Seco Jetstream ................................................ 44, 45, 86, 88 Seco‐Capto .................................................................. 70, 72 Simulacija MKE ................................................................ 109 Širina reza........................................................ 28, 44, 61, 63 Sistematična analiza proizvodnje (SPA) .......................... 154 Slabšanje ....3, 4, 6, 13, 14, 32, 33, 90, 91, 94, 101, 102, 130, 134, 138, 142, 144, 168 Specifična rezalna sila (kc11)....................................... 60, 62 Specifična toplota ................................................. 34, 36, 92 Stabilnost ............... 2, 3, 31, 47, 88, 129, 136, 146, 147, 157 Stahl ........................................................................ 1, 59, 60 Steadyline ................................................................... 70, 72 STEP ................................................................. 1, 2, 4, 5, 6, 7 Stopnja odvzema materiala (SOM) ......................... 147, 148 Strižna ravnina .........................................10, 12, 40, 80, 129 Stroški obdelave ........................................ 34, 143, 144, 145 Stroški orodja .......................................... 141, 142, 145, 147 Stroškovna učinkovitost ................. 4, 85, 121, 143, 144, 146

T Taylor ................. 59, 100, 101, 102, 103, 104, 158, 159, 160 Tehnika obdelave ............................................ 146, 150, 151 Tekoči odrezki ............................................10, 11, 45, 46, 47

_____________________________________________________________________________________ Uporabna fizika odrezavanja kovin, dobre prakse – stran 160