CZ34848U1

CZ34848U1 - Nástroj pro obrábění

Info

Publication number: CZ34848U1
Application number: CZ202038205U
Authority: CZ
Inventors: Luboš Kroft; Luboš Ing. Kroft; Ondřej Šindelář; Ondřej Ing. Šindelář
Original assignee: Západočeská Univerzita V Plzni
Priority date: 2020-11-03
Filing date: 2020-11-03
Publication date: 2021-02-23

Description

Nástroj pro obrábění

Oblast techniky

Technickým řešením je nástroj pro obrábění, uzpůsobený pro upnutí do obráběcího stroje, obsahující nosič řezné destičky, alespoň jednu řeznou destičku upevnitelnou v sedle nosiče a upínací trysku pro upnutí řezné destičky a zároveň pro přívod řezné kapaliny k řezné destičce, přičemž nosič je opatřen přívodem řezné kapaliny obsahujícím alespoň jedno vyústění řezné kapaliny, kdy k nosiči je připevníteIná uvedená upínací tryska opatřená alespoň jedním kanálkem pro přívod řezné kapaliny na čelo řezné destičky.

Dosavadní stav techniky

Při soustružení většiny běžných konstrukčních materiálů nástroji s vyměnitelnými břitovými destičkami je nezbytné používat chlazení/mazání během procesu řezání. Čím jsou fyzikální a chemické vlastnosti obráběného materiálu vzhledem k jeho obrobitelnosti horší, tím vyšší význam má vliv chlazení, přičemž během řezání vzniká teplo obecně vlivem tření ploch nástroje o obráběný materiál a dále plastickou deformací v místě vzniku třísky. Jeho odvod má pak stěžejní vliv na trvanlivost nástroje a na kvalitu obrobeného povrchu zejména ve smyslu jeho integrity. Systém chlazení má pozitivní účinky jednak ve smyslu samotného řezání, mazání, čištění a podobně.

Medium, zpravidla kapalina, se přivádí za standardního či zvýšeného tlaku, což je v praxi označováno jako vysokotlaké chlazení, při němž dochází k lepšímu průniku kapaliny mezi třísku a řeznou hranou nástroje. Ze stavu techniky je známé chlazení soustružnického nástroje kapalinou, kdy jednou z možností je vnitřní chlazení, kdy se řezná kapalina přivádí přes vřeteno či revolver obráběcího stroje vhodným kanálkovým systémem v nástroji k břitům, často prostřednictvím otvorů v zubových mezerách, kterými je přiváděno procesní médium přímo na hrot nástroje k břitu nástroje, a to zejména otvory v nosiči vyměnitelné břitové destičky tak, že je směřován přímo na řeznou hranu do místa řezu.

Existují kupříkladu nosiče soustružnických nástrojů, kde jsou v různých obměnách chladicí kanály směrovány do místa řezu směrovatelnými tryskami na čelo nástroje, které jsou připevněny k tělesu pomocí závitu. Jejich základními nedostatky jsou zejména vzdálenost mezi výstupním místem a místem řezu a pak také velmi omezená možnosti nastavení směřování čelního chlazení dle aktuální části využívané řezné hrany. Dalším problematickým místem je poměrně komplikovaná výroba kanálů v nosičích nástrojů, a to pracným vyvrtáváním či vyhlubováním velmi hlubokých otvorů o poměrně malých průměrech. Tyto postupy jsou praxi velmi nákladné a řezná kapalina není často optimálně k řezným destičkám přivedena.

Dále je známo kupříkladu řešení z patentového spisu CZ 303363 popisující nástroj pro třískové obrábění, opatřený alespoň jedním centrálním vnitřním otvorem pro přívod chladicího a/nebo mazacího média, který má u ostří břitu na vedlejším a/nebo hlavním hřbetu umístěn alespoň jeden navazující kanálek pro přívod chladicího a/nebo mazacího média propojený s rozváděcím kanálkem. Na navazující kanálek na vedlejším a/nebo hlavním hřbetu navazuje drážka. U svého čela břitu může být opatřen alespoň jedním dalším kanálkem pro přívod chladicího a/nebo mazacího média.

V dokumentu US 9511421je přitom popsáno řešení obráběcího nástroje s upínacím nástavcem přiložitelným k nosiči obráběcího nástroje. Nosič upínacího nástroje je rovněž uzpůsoben pro upnutí a vložení vyměnitelné řezné destičky směřování chladicího media ze zásobníku je zajištěno pomocí vybrání v nástavci, jímž chladicí kapalina ze zdroje chladicí kapaliny vstupuje do vývodu a směřuje na čelo řezného nástroje.

- 1 CZ 34848 UI

Ve spisu US 10300532 je popsán rovněž nástroj na obrábění sestávající z nosiče uzpůsobeného pro upnutí řezné destičky, která je v nosiči upevněna pomocí šroubu, procházejícím otvorem ve středu řezné destičky. K nosiči je přiložitelná upínací tryska válcového tvaru ve tvaru trubky s nástavcem, který jednak slouží k upevnění nástroje v nosiči a jednak k rozvodu řezné kapaliny vnitřními kanálky na čelo řezné destičky. Obdobné řešení obráběcího nástroje je známo ze spisu EP 3167985 či US 8529162.

Výše popsaná řešení jsou soustředěna na chlazení čela řezných destiček s cílem snížení opotřebení nástroje, tj. zvýšení trvanlivosti a životnosti čela řezných destiček. Nevýhodou těchto řešení je skutečnost, že pro případy, kdy je chlazení řezné destičky soustředěno pouze na čelo řezné destičky, dochází vysokému opotřebení řezné hrany řezné destičky v oblasti hřbetu nástroje nebo je hřbet řezného nástroje chlazen vývodem chladicí kapaliny z nosiče bodově. To omezuje použití řezného nástroje pro široké spektrum obráběcích technologií.

Podstata technického řešení

Podstatou technického řešení je nástroj pro obrábění, uzpůsobený pro upnutí do obráběcího stroje, který obsahuje nosič řezné destičky, alespoň jednu řeznou destičku upevnitelnou v sedle nosiče a upínací trysku pro upnutí řezné destičky a zároveň pro přívod řezné kapaliny k řezné destičce, přičemž nosič je opatřen přívodem řezné kapaliny obsahujícím alespoň jedno vyústění řezné kapaliny, kdy k nosiči je připevnitelná uvedená upínací tryska opatřená alespoň jedním kanálkem pro přívod řezné kapaliny na čelo řezné destičky. Nástroj dále obsahuje doplňkovou trysku připevnitelnou k nosiči, přičemž v místě pro její připevnění nosič obsahuje druhé, spodní vyústění řezné kapaliny, přičemž připevnitelná doplňková tryska je opatřena alespoň jedním kanálkem navazujícím na spodní vyústění řezné kapaliny z nosiče a určeným pro přívod řezné kapaliny na hřbet řezné destičky.

Použití doplňkové trysky zajišťuje rovněž výrazně nižší rozstřik, což má za následek výrazně nižší tlakové a objemové ztráty mezi vývodem řezné kapaliny z kanálků a řeznou hranou chlazeného řezného nástroje. Chlazením jak čela, tak hřbetu řezné destičky dochází výraznému zvýšení řeživosti nástroje, jelikož dochází ke snížení opotřebení řezné hrany cíleným a přesně směřovaným chlazením celé řezné hrany nástroje.

Výhodné je, pokud je připevnitelná doplňková tryska vyměnitelná, a to nejen z důvodu zvýšení spolehlivosti nástroje z důvodu kupříkladu mechanického poškození doplňkové trysky, ale zejména z důvodu modularity doplňkových trysek s ohledem na různé tvary, rozměry a materiály řezných destiček.

Výhodné rovněž je, pokud se kanálek doplňkové trysky směrem k vývodu zužuje, čímž je zajištěna potřebná intenzita chlazení směrováním proudu řezné kapaliny, resp. zvýšení tlaku řezné kapaliny. Výhodné je provedení, kdy je tlak zvýšen zúžením kanálku do tvaru dýzy.

Výhodné rovněž je, pokud je doplňková tryska opatřena dvěma a více kanálky, jejichž osy jsou rovnoběžné. Zvýšením počtu kanálků je snadněji docíleno chlazení po celé délce řezné hrany, přičemž v případech rovnoběžnosti os kanálků je docíleno konstantní intenzity chlazení řezné hrany, a to zejména při chlazení vyměnitelných břitových destiček, které nejsou kruhové.

Výhodné rovněž je, pokud jsou kanálky doplňkové trysky směřovány na místa úběru třísky obráběného polotovaru. Takovéto provedení pak zajišťuje vysokou efektivnosti chlazení řezné hrany, a to zejména při chlazení vyměnitelných řezných destiček kruhového tvaru, kdy jsou osy jednotlivých kanálků různoběžné nebo mají kanálky vzájemně různé průměry.

- 2 CZ 34848 UI

Objasnění výkresů

Celkový izometrický pohled na nástroj je znázorněn na Obr. 1 a na Obr. 2, na Obr. 3 a na Obr. 4 je znázorněn pohled na nástroj na obrábění shora. Na Obr. 5 je znázorněn izometrický pohled na nástroj na obrábění včetně naznačení systému chlazení řezné destičky, na Obr. 6 je znázorněn izometrický pohled na nástroj na obrábění a provedení systému chlazení s vyznačením řízeného toku řezné kapaliny na čelo a hřbet nástroje, na Obr. 7 je znázorněn celkový izometrický pohled na nástroj bez upínací a doplňkové trysky a bez vyměnitelné řezné destičky. Na Obr. 8 je znázorněn izometrický pohled na doplňkovou trysku včetně provedení kanálků, na Obr. 10 je znázorněn izometrický pohled na upínací trysku včetně provedení kanálků, na Obr. 11 je znázorněn pohled na upínací trysku shora včetně provedení kanálků, na Obr. 12 je graficky znázorněna závislost opotřebení hřbetu řezné destičky na čase v řezu. Na Obr. 13 je na základě experimentu ve formě sloupcových diagramů znázorněna průměrná životnost nástroje v alternativách s chlazením čela a nástroje s chlazením čela a zároveň hřbetu dle předloženého technického řešení, na Obr. 14 je zobrazeno porovnání životnosti obou těchto testovaných nástrojů při zvýšených řezných rychlostech. Na Obr. 15 je znázorněno skutečné opotřebení břitu nástroje v provedení s chlazením řezné destičky směřovaném pouze na čelo řezné destičky na základě uvedeného experimentu při tlaku řezné kapaliny 10 bar, na Obr. 16 je znázorněno opotřebení břitu při chlazení řezné destičky směřovaném na čelo a zároveň hřbet destičky na základě uvedeného experimentu při tlaku řezné kapaliny 10 bar dle předloženého technického řešení.

Příklady uskutečnění technického řešení

Nástroj pro obrábění je uzpůsobený pro upnutí do vřetenové hlavy je určen zejména pro hrubování materiálů skupiny ISO M a S. Nástroj sestává z kruhové vyměnitelné řezné destičky D, kde destička D je upevněna v sedle S nosiče N pomocí šroubu, jenž prochází destičkou D. Sedlo S je uspořádáno v nosiči N řezné destičky D. Nosič N řezné destičky D je opatřen přívodem P a PÍ řezné kapaliny, která vyúsťuje z nosiče N v místě předpokládaného připevnění upínací desky U. K nosiči N řezné destičky D je za pomocí šroubu k nosiči N připevnitelná upínací tryska U, která slouží jednak k upnutí vyměnitelné kruhové řezné destičky D a zároveň k přívodu řezné kapaliny na čelo řezné destičky D. Upínací tryska U je opatřená soustavou vnitřních kanálků K, kterými prochází řezná kapaliny. Vývody V z kanálků K upínací trysky U směřují na čelo řezné destičky D. Nosič N je opatřen spodním přívodem F řezné kapaliny. Pod sedlem S je připevnitelná doplňková tryska T. Tryska T je opatřená soustavou nelineárních kanálků K' a navazuje na spodní přívod P\ Vývod V' řezné kapaliny směřuje z kanálků K' na hřbet řezné destičky D. Doplňková tryska T je vyměnitelná a je k nosiči N připevněna šroubem, který prochází tělesem doplňkové trysky T do otvoru v nosiči N opatřeným vnitřním závitem. Kanálky K' doplňkové trysky T se směrem k vývodům V' zužují a v tomto konkrétním provedení jdou kanálky K' kruhového průřezu. Osy kanálků K' jsou v tomto konkrétním provedení různoběžné. Kanálky K' jsou cíleně směřovány na místa úběru třísky obráběného polotovaru.

Přívody P a PÍ řezné kapaliny do prostoru nosiče N dochází k distribuci řezné kapaliny skrze kanálky K a Kj upínací trysky U a doplňkové trysky T, kdy je zúženými konci těchto kanálků K a K/ řezná kapalina směřována jak na čelo řezné destičky D, tak na hřbet řezné destičky D.

Efektivita modifikace nástroje na obrábění byla experimentálně ověřována s cílem porovnání vlivů různých systémů přívodů řezné kapaliny do místa řezu a hodnot tlaků těchto kapalin na životnost nástrojů při hrubovacím podélném soustružení kruhové tyče ze slitiny Ti- 6A1-4V, a to pro stávající provedení pouze nástrojů s chlazením čela řezné destičky D a nástroje pro obrábění podle technického řešení, s chlazením čela i hřbetu řezné destičky D.

Zkoumaným a hodnoceným parametrem byla životnost nástroje (vyjádřená v minutách), přičemž

- 3 CZ 34848 UI vyhodnocení životnosti bylo provedeno na základě maximálního opotřebení hřbetu značené VBmax (zkoumání opotřebení čela v tomto případě nemá význam - téměř veškeré opotřebení je soustředěno na hřbetní část řezné destičky), načež se stanovila jeho kritická hodnota VBkrjt = 0,3 mm, tedy limitní hodnota, při jejímž dosažení bylo nutné testování zastavit. Hodnota VBknt = 0,3 mm byla vybrána vzhledem k možnému limitnímu opotřebení řezné destičky, do kterého je nástroj schopen zaručit spolehlivý proces obrábění.

Obráběný díl byl upnut z jedné strany tvrdými čelistmi v univerzálním sklíčidle, z druhé strany přitlačen otočným hrotem. Použitelná délka soustružnického přejezdu se stanovila na 490 mm, od 500 mm odečtena délka upínací části včetně bezpečné rezervy. Nástroj je upnut ve vřetenové hlavě. Uhel vůči ose obrobku je 45°. Směr podélného soustružení probíhal konvenčním způsobem - tedy směrem k vřetenu.

Řezné podmínky byly nastaveny dle aktuálně ověřených a používaných hodnot. Podmínky zůstávaly po celou dobu testování neměnné.

Řezné podmínky:

• v_c = 90 [m.min¹] • f = 0,25 [ot.min¹] a_p = 2 [mm]

CMmni ** hřbtó ~ W íhr
opabavání δ. 1	opakování δ, 2	opakování č. 3
č® V fen [min]	opotřebení	Soo v teu [min]	opotřebení M	&Š& v fee [min]	opotMwí [pm]
2.40	130	2,43	1ŽO	2,32	ISO
4_;87	ISO	8,77	ISO	4.84	188
8 45	300	8.15	180	8.85	280
10.88	220	<02	200	e.Q4	240
13.31	280	12J	200	113	280
10.74	280	<03	280	12,43	280
1OS	300	17,38	300

Tabulka ukazuje příklad záznamu hodnot časů v řezu a opotřebení a opakování experimentu.

Experimentálně se potvrdily předpoklady, které daly vzniknout popsanému konstrukčnímu řešení s chlazením čela i hřbetu řezné destičky D, tyto předpoklady jsou:

řezná kapalina směřovaná rovněž na hřbet řezné destičky D má výrazně pozitivní vliv na

- 4 CZ 34848 UI životnost nástroje chlazení efektivní řezné části břitu na hřbetě řezné destičky D je dosahováno výrazně rovnoměrnějšího opotřebení řezné destičky D a také pozvolnějšího - prodlužuje se lineární část z grafu opotřebení vysokotlakým směřováním řezné kapaliny na čelo vyměnitelné řezné destičky D bylo docíleno velmi příznivého elementárního tvaru třísky - současně porovnávaný parametr

Průměrná hodnota životnosti všech měřených alternativ využívající pouze konstrukční uspořádání nástroje pouze pro čelní chlazení řezné destičky D dosahuje pouze 80 % průměrné hodnoty testované alternativy s kombinovaným typem chlazení řezné destičky D podle technického řešení, tj. jejího čela i hřbetu.

Na základě těchto výsledků lze určit nej významnější faktor, kterým je technologie či způsob chlazení. Z mikroskopických snímků, které byly pořízeny při testování variant s kombinovaným chlazením, tj. čela a hřbetu, je na Obr. 16 patrné, že řezná hrana řezné destičky D je opotřebena poměrně rovnoměrně, což svědčí o přidané hodnotě tohoto konstrukčního uspořádání z hlediska předvídavosti procesu obrábění.

V dalším kroku je provedeno porovnání s alternativou chlazení pouze čela řezné destičky D. Veškeré strojní vybavení, řezná kapalina, obráběný polotovar a nástroje zůstávaly pro experiment totožné. U předešlé části experimentu se řezné podmínky (v_c, f, a_p) nastavily jako jednoúrovňový faktor. Nebylo tak možné zjistit, jak se dané nástroje budou chovat např. při změně řezné rychlosti, která má ze všech řezných podmínek největší dopad na životnost nástroje. Pro plné využití potenciálu nástroje je výhodné nalézt jeho limity a stanovit tak krajní parametry, které by měl technolog při určování řezných podmínek respektovat. Důvody respektování omezujících kritérií jsou technického a zároveň ekonomického charakteru.

Tento experiment si kladl za cíl porovnat obě varianty nástrojů (stejné typy jako v prvním experimentu) při řezných rychlostech přibližujících se možnému maximu pro danou konstrukční variantu a podmínky obrábění. Na základě zkušeností byly zvoleny dvě další hodnoty řezné rychlosti, a to vždy zvýšené o 20 [m.min¹], tedy na hodnoty 110 [m.min¹] a 130 [m.min¹]. V průběhu experimentu bylo zjištěno, že při použití řezné rychlosti 130 [m.min¹] dochází ktak intenzivnímu opotřebení, že není možné experiment relevantně vyhodnotit, a proto byla tato rychlost vypuštěna. Nejedná se totiž o možný limit nástroje, ale samotného typu řezné destičky D, který nebyl cílem tohoto experimentu.

Řezné podmínky:

f = 0,25 [ot.min¹] a_p = 2 [mm] v_c = 110 [m.min¹]

Podle výsledků demonstrovaných na Obr. 12 až Obr. 16 lze předpokládat, že se zvyšující se řeznou rychlostí se, alespoň v první fázi rozdíl v životnosti nástroje výrazně zvyšuje. Tedy efekt výrazně efektivnějšího chlazení zde má vyšší význam. Při hodnotě řezné rychlosti v_c = 110 [m.min¹] dosáhl nástroj s upínací tryskou, tedy pouze s chlazením čela řezné destičky, životnosti 2,88 minut, zatímco nástroj dle technického řešení dosáhl životnosti 4,86 min, jedná se tedy o 69 % delší životnost nástroje dle předloženého technického řešení. V této části experimentu se vycházelo z potenciálu navýšit řeznou rychlost a přiblížit se tak tímto parametrem k limitům řezné destičky D.

- 5 CZ 34848 UI

Bylo zjištěno, že při vyšších řezných rychlostech (v_c = 110 [m.min¹] proti původním v_c = 90 [m.min¹]) se vlivem extrémních teplot generovaných během obrábění rapidně snížila životnost nástroje, což se shoduje i stvrzením uváděným v teorii obrábění. Při porovnání životnosti obou typů nástrojů za těchto podmínek se však nástroj s upínací tryskou U 5 a doplňkovou tryskou T dosáhl hodnotu životnosti o 69 % vyšší v porovnání s konvenčním nástrojem s upínací tryskou U, která směřuje pouze vůči čelu břitové destičky D.

Průmyslová využitelnost

Nástroj popsaný podle technického řešení nalézá své uplatnění zejména v konstrukci nástrojů pro třískové obrábění.

Claims

NÁROKY NA OCHRANU

1. Nástroj pro obrábění, uzpůsobený pro upnutí do obráběcího stroje, obsahující nosič (N) řezné destičky (D), alespoň jednu řeznou destičku (D) upevnitelnou v sedle (S) nosiče (N) a upínací trysku (U) pro upnutí řezné destičky (D) a zároveň pro přívod řezné kapaliny k řezné destičce (D), přičemž nosič (N) je opatřen přívodem řezné kapaliny obsahujícím alespoň jedno vyústění (P, P') řezné kapaliny, kdy k nosiči (N) je připevnitelná uvedená upínací tryska (U) opatřená alespoň jedním kanálkem (K) pro přívod řezné kapaliny na čelo řezné destičky (D), vyznačující se tím, že nástroj dále obsahuje doplňkovou trysku (T) připevnitelnou k nosiči (N), přičemž v místě pro její připevnění nosič (N) obsahuje druhé, spodní vyústění (P') řezné kapaliny, přičemž připevnitelná doplňková tryska (T) je opatřena alespoň jedním kanálkem (K') navazujícím na spodní vyústění (P') řezné kapaliny z nosiče (N) a určeným pro přívod řezné kapaliny na hřbet řezné destičky (D).
2. Nástroj pro obrábění podle nároku 1, vyznačující se tím, že připevnitelná doplňková tryska (T) je vyměnitelná.
3. Nástroj pro obrábění podle nároku 1, vyznačující se tím, že kanálek (K') doplňkové trysky (T) se směrem k vývodu (V') zužuje.
4. Nástroj pro obrábění podle nároku 1, 2 nebo 3, vyznačující se tím, že doplňková tryska (T) je opatřena alespoň dvěma kanálky (K'), jejichž osy jsou rovnoběžné.
5. Nástroj pro obrábění podle nároku 1, 2, 3, 4 nebo 5, vyznačující se tím, že kanálky (K') jsou směřovány na místa úběru třísky obráběného polotovaru.