Nekonvenční technologie obrábění

Vypracovali: Jan ŽantaJan Janoušek

Podstata

• Produktivita a přesnost závisí na fyzikálních a chemických vlastnostech materiálu.

• V průběhu obrábění se mění fyzikální vlastnosti materiálu (rozpouští se, vypařuje, ...)

Vlastnosti

• Nekonvenční metody nenahrazují metody konvenční, pouze je vhodně doplňují.

• Působí minimální (nebo žádné) řezné síly• Lze obrábět velmi tvrdé a pevné materiály• Vysoká energetická náročnost

Dělení

• Obrábění paprskem:– Fotonů (laser)– Vody– Iontů (plazma)– elektronů

• Tepelné působení elektrického proudu– Elektroerozivní obrábění

• Chemické působení elektrického proudu– Elektrochemické obrábění

• Obrábění ultrazvukem

Obrábění laserem - vrtání• Vrtání laserem je založeno na

odstraňování materiálu odpařováním.

• Předností laserového vrtání je vytváření malých otvorů o průměru od 10 do 100 mm i v místech, kde je to pomocí jiných metod obtížné nebo nemožné.

Pohled do pracovního prostoru během vrtání laserem

Laserové vrtací zařízení

Obrábění laserem - vrtání

• Díry mohou být kruhové i tvarové. Délka vrtané díry může být až 50 mm.

• Vrtat lze kovy, plasty, textilie, dřevo, sklo, keramiku a jiné přírodní materiály.

Příklady výrobků

Obrábění laserem - řezání• Materiál může být při řezání

odebírán:– Odpařováním– Tavením– Pálením

• Výhody řezání laserem:– malá šířka řezu– malá velikost tepelně ovlivněné

oblasti– žádné opotřebení nástroje;– čisté řezy– možnost řezání složitých tvarů– hospodárnost i při malých

výrobních sériích

Pracovní prostor laserového řezacího pracoviště

Zařízení pro řezání laserem

Ostatní aplikace laseru při obrábění

• Soustružení laserem• Frézování laserem• Dekorace skla laserem • Značení, značkování a

popis laserem• Gravírování

(mikrofrézování) laserem

Princip soustružení laserem

Obrábění paprskem vody

• Princip:– Kinetická energie média

se mění na mechanickou práci

• K obrábění použito:– Paprsku vody– Paprsku vody s

rozptýlenými zrny brusiva

Řezání abrazivní paprskemŘezání bez abraziva

Obrábění paprskem vody

• Parametry paprsku:– Tlak: 200 až 600 MPa– Průměr: 0,5 až 2 mm– Rychlost výstupu: 600 až

1200 m/s (rychlost zvuku ve vzduchu: asi 330 m/s)

Zařízení pro řezání vodním paprskem

Obrábění paprskem vody• Výhody

– studený řez, při kterém nedochází k tepelnému ovlivnění řezaného materiálu

– maximální univerzálnost použití pro libovolné materiály i jejich tloušťky

– možnost řezání i velmi těžko obrobitelných materiálů

– relativně vysoká přesnost vyřezaných tvarových dílů

• Nevýhody– nevyhnutelný kontakt s

vodou a většinou i s abrazivním materiálem (bez okamžitého vhodného ošetření rychlý nástup povrchové koroze, u nasákavých materiálů delší vysoušení, možnost změny barvy, znečištění apod.)

– omezená možnost výroby hodně malých dílců (cca pod 3-5 cm)

Obrábění paprskem iontů (plazma)• Princip:

– Ohřev nebo tavení materiálu za extrémně vysokých teplot (1000 až 20000 °C), které vznikají rozkladem molekul plynu při jejich průchodu elektrickým obloukem.

– Oblouk hoří mezi netavící se katodou vyrobenou z wolframu a anodou, která je tvořena opracovávaným materiálem nebo tělesem hořáku.

Zdrojem plazmy je plazmová pistole

Pohled do pracovního prostoru řezacího stroje

Řezání plazmatem

• Řezaný materiál je taven a tavenina a oxidy jsou vyfukovány z místa řezu plazmovým plynem.

• V případě použití kyslíku jako plazmového plynu je materiál rovněž spalován.

Příklady výrobků

Řezání plazmatem• Výhody:

– možnost provozu jednoho nebo více hořáků podle velikosti výrobní dávky

– vhodnost zejména pro řezání slabých a středních tlouštěk konstrukční oceli (do 30 mm)

– možnost řezání vysoce pevné konstrukční oceli s menším tepelným příkonem

– vysoká řezná rychlost (až 10x vyšší než při řezání plamenem)

– proces lze plně automatizovat– řezání plazmou pod vodou pro velmi

malé tepelné ovlivnění řezaného materiálu a malou hladinu hluku v okolí pracoviště

• Nevýhody:– poněkud širší řezná

spára oproti řezání laserem.

Stroj pro řezání plazmatem

Obrábění plazmatem• Plazmový hořák lze použít při obrábění dvojím způsobem:

– Pro předehřev materiálu před břitem řezného nástroje. • U ohřáté části materiálu změní mechanické a fyzikální vlastnosti (nižší pevnost

a tvrdost materiálu). Nástroj má pak vyšší trvanlivost a lze obrábět materiály, které by konvenčními metodami obrábět nešli.

– Pro odtavování materiálu z povrchu obrobku.• Materiál na povrchu obrobku se taví a proudem asistenčního plynu odfukuje.

Obrábění s předehřevem materiálu před břitem řezného nástroje

Obrábění paprskem elektronů• Princip:

– K obrábění využito energie paprsku na velmi malou plochu obrobku.

– V místě dopadu se kinetická energie elektronů mění na tepelnou.

– Materiál se taví a následně odpařuje.

– Elektronový paprsek je vychylován magnetickým systémem

Princip metody obrábění elektronovým paprskem:a) vnik elektronů do materiálub) erupční odpařování materiáluc) opětný vnik elektronů do materiálu

1 – elektronový paprsek, 2 – páry odpařeného kovu

Obrábění paprskem elektronů• Vrtání malých děr paprskem

elektronů– Elektronový paprsek se používá pro

vrtání otvorů malých průměrů (0,002 až 0,8 mm).

– Lze obrábět i hluboké otvory (l/D až 100).

– Tolerance vyvrtané díry je 5 až 20 % jejího průměru.

– Lze obrobit až 4000 otvorů za 1 sekundu.

– Napájecí zdroj může mít výkon 3 až 100 kW.

• Řezání paprskem elektronů– Lze řezat komplikované tvary

Elektronové dělo - zdroj elektronů

Elektroerozivní (elektrojiskrové) obrábění

Princip :₋ obrobek a nástroj jsou ponořeny v

dielektriku a zapojeny do obvodu stejnosměrného elektrického proudu

₋ v místech největšího přiblížení nástroje a obrobku vznikají elektrické výboje

₋ při výboji letí proud elektronů ve výbojovém (ionizovaném) kanále na obrobek, při dopadu zabržděním vzniká teplo, kov se taví a část se odpaří

₋ úběr materiálu tepelným a tlakovým účinkem elektrického výboje

Elektroerozivní hloubička

Elektroerozivní (elektrojiskrové) obrábění

₋ největší výhodou této metody je obrábění problematických tvarů, materiálů a také i velmi přesných rozměrů

₋ přesnost obrábění v řádu tisícin milimetru a drsnost povrchu Ra 0,2 (mnohdy lze nahradit i broušení)

₋ jedním z největších a nejzkušenějších světových výrobců japonská firma Mitsubishi (výrobky převážně pro automobilový průmysl)

Drátová řezačka Mitsubishi FA20S

Elektrochemické obrábění

Princip :₋ obrobek se řízeně rozpouští v

elektrolytu při průchodu stejnosměrného elektrického proudu (princip elektrolýzy)

₋ nástroj má různé tvary₋ molekuly elektrolytu jsou tvořeny

ionty₋ při zapojení elektrického proudu

dochází na obrobku k reakci, při které se anionty kovu obrobku slučují s kationty elektrolytu – vzniká nová sloučenina - obrobek se rozpouští

Princip elektrochemického obrábění:1 – obrobek (anoda), 2 – napájecí zdroj, 3 – nástroj (katoda), 4 – pracovní vana, 5 – elektrolyt

Elektrochemické obrábění

Různé technologie obrábění:Obrábění s nuceným odstraňováním produktů vzniklých chemickými reakcemi:• obrábění proudícím elektrolytem:

– hloubení tvarů a dutin zápustek a forem

– hloubení otvorů malých průměrů– odstraňování otřepů– dělení materiálů

• s mechanickým odstraňováním (někdy označované jako anodomechanické obrábění):– broušení, lapování, honování

Povrchové obrábění bez odstraňování produktů vzniklých chemickými reakcemi:

– leštění– povrchové značení

Obrábění ultrazvukemPrincip :₋ obrobek (i elektricky nevodivý) je

obráběn jemnými zrny brusiva, které jsou rozkmitávány nástrojem

₋ nástroj kmitá vysokou frekvencí 20-30 kHz s amplitudou 0,1 - 0,001 mm

₋ do místa obrábění se přivádí brusná emulze (kapalina s jemnými zrny brusiva)

Zařízení pro obrábění ultrazvukem: 1 – generátor ultrazvukových kmitů, 2 – systém pro vytvoření mechanických kmitů, 3 – přívod brousicích zrn a kapaliny, 4 – obrobek, 5 – nástroj

Obrábění ultrazvukem - nástroje

nerotační dutiny otevřené drážky kruhové díry

závity průchozí drážky tvarové drážky

Obrábění ultrazvukemPříklady výrobků – obrábění ultrazvukem

Zdroje

• www.mmspektrum.com• Přednáška• Vzorová semestrální práce na předmět Úvod

do strojírenství

Děkujeme za pozornost