Základy obrábění

Význam pojmu obrábění

Termín obrábění může být používán v různém významu. V nejširším významu se obráběním rozumí jakýkoli technologický proces, kterým se polotovar mění na hotový výrobek požadovaného tvaru, rozměrů a jakosti povrchu. V tomto smyslu pod pojem obrábění patří všechny strojírenské technologie, to jest slévání, tváření, řezání, svařování, tepelné zpracování, úprava povrchu a montážní práce.

V poněkud užším významu se obráběním rozumí technologický proces, kterým se polotovar mění na hotový výrobek požadovaného tvaru, rozměrů a jakosti povrchu odebíráním částic nebo oddělováním částí materiálu mechanickými, elektrickými nebo chemickými pochody či kombinacemi těchto pochodů.

V nejužším významu znamená termín obrábění technologický postup přeměny polotovaru na výrobek, při kterém je dosaženo žádaného tvaru, rozměrů a jakosti povrchu postupným oddělováním přebytečného materiálu ve formě třísek.

Břit

Funkčním prvkem každého řezného nástroje je řezný klín neboli břit. Je omezen plochou čela a plochou hřbetu. Průsečnice plochy čela a plochy hřbetu se nazývá ostří. Geometrická představa se ovšem liší od skutečnosti. Přechod mezi oběma plochami je vždy nepravidelně zaoblen.

Obráběcí nástroje mohou mít jeden nebo více břitů. K jednobřitým nástrojům patří různé druhy obráběcích nožů: soustružnické, hoblovací, obrážecí, vyvrtávací a další. Příkladem vícebřitých nástrojů mohou být vrtáky, frézy, výstružníky, protahováky, brusné kotouče.

Jako základní nástroj při výkladu geometrie obrábění je popisován soustružnický nebo hoblovací či obrážecí nůž jednoduchého tvaru. Pochopení geometrie jeho břitu usnadní pochopení geometrie všech nástrojů složitějších.

Pohyby při obrábění

Obrábění se uskutečňuje relativním pohybem břitu nástroje vůči obrobku. Pohyb, při kterém je z obrobku odebírána tříska, se nazývá řezným pohybem. Skládá se ze dvou dílčích pohybů: hlavního pohybu, který je základním pohybem konkrétního obráběcího stroje, a z posuvu, kterým je umožněno obsažení celé obráběné plochy. Pohyb, který slouží k relativnímu přiblížení mezi nástrojem a obrobkem do pracovní polohy, se nazývá přísuv. Schematicky je souvislost jmenovaných pohybů znázorněna takto:

pohyb    - řezný    - hlavní

                               - posuv

               - přísuv.

Hlavní pohyb, posuv i přísuv může z absolutního pohledu konat jak nástroj, tak obrobek.

Hlavní pohyb může být přímočarý, otáčivý nebo složený. Přímočarý je hlavní pohyb při hoblování, obrážení a protahování. Otáčivý je hlavní pohyb při soustružení, vrtání, vyvrtávání, frézování, broušení a dalších pracích. Složený je hlavní pohyb u honování, lapování, superfiniše a některých dalších speciálních pracích.

Posuv může být

- z hlediska tvaru relativní dráhy nástroje přímočarý nebo křivočarý, nejčastěji otáčivý (kruhový)

- z hlediska svého časového průběhu plynulý (soustružení, vrtání, frézování ..) nebo přerušovaný (hoblování, obrážení ..).

Přísuv je relativní pohyb mezi nástrojem a obrobkem, který slouží jejich ustavení do pracovní polohy a při kterém není odebírána tříska. Určitá část přísuvu může být zrychlena.

Plochy při obrábění

Plochami při obrábění se zde rozumí určité charakteristické plochy, které ohraničují obrobek a nástroj nebo slouží k definování geometrie nástroje.

Na obrobku jsou

- plocha obráběná: plocha na povrchu obrobku určená v dané operaci obrábění k odstranění

- plocha řezná: plocha vznikající na obrobku bezprostředně za ostřím; na obrobku může zůstat nebo může být s další třískou odstraněna

- plocha obrobená: plocha, která po dokončení dané operace zůstává na obrobku.

Označení ploch se v jednotlivých operacích mění. Například obrobená plocha v operaci soustružení je obráběnou plochou v následující operaci broušení a podobně.

Na nástroji jsou

- plocha čela neboli čelo: omezuje břit na straně třísky; může být rovinná nebo zakřivená

- plocha hlavního hřbetu neboli hlavní hřbet: omezuje břit na straně obrobené plochy za hlavním ostřím

- plocha vedlejšího hřbetu neboli vedlejší hřbet: omezuje břit na straně obrobené plochy za vedlejším ostřím

- plocha ložná: slouží k ustavení nástroje při jeho uložení do stroje

- plocha upínací: slouží jako opěrná plocha pro upínací prvky   stroje.

Každý jednobřitý nástroj má jedno čelo, ale může mít jeden nebo více hřbetů, tedy i jedno nebo více ostří. Jako příklad je nakreslen základní typ soustružnického nože, tak zvaný pravý přímý uběrací nůž.

Průsečnice hlavního a vedlejšího ostří se nazývá špička břitu.

K udání polohy nástroje vůči obrobku a definování geometrie nástroje slouží myšlené pomocné roviny:

- základní rovina: prochází daným místem na ostří kolmo k hlavnímu pohybu stroje

- rovina řezu: je určena tečnou k ostří v jeho daném místě a směrem hlavního pohybu

- rovina měření: prochází daným místem ostří kolmo k rovinám základní a řezu, tedy kolmo k jejich průsečnici.

Pro ilustraci jsou v obrázku uvedeny polohy základní roviny a roviny řezu ve dvou pohledech při soustružení zapichovacím nožem. Tento typ nože zde je volen pro jednoduchost znázornění.

Úhly na břitu nástroje

Geometrie břitu má vliv na jeho vnikání do materiálu, na jeho pevnost, tvar třísky, směr jejího odchodu od ostří, kvalitu obrobené plochy. Proto je velmi důležitá volba jednotlivých dále popisovaných úhlů.

Pro definici a vysvětlení významu jednotlivých úhlů je opět jako příklad zvolen pravý přímý uběrací soustružnický nůž.

Poznámka: název nože popisuje smysl jeho posuvu při obrábění (zde zprava doleva, proto pravý), tvar tělesa nože (zde přímý), pracovní určení nože (zde uběrací, to jest určený k odebrání převážného množství materiálu) a druh obrábění (zde soustružení).

V řezu vedeném rovinou měření přes břit nože jsou určovány úhel čela, úhel hlavního hřbetu, úhel břitu a úhel řezu.

Úhel čela g je definován jako úhel, který svírá tečná rovina vedená k čelu ve zvoleném místě ostří (v případě rovinného čela přímo jeho rovina) se základní rovinou. Za kladný je označován úhel čela v případě, kdy plocha čela od hlavního ostří klesá k ložné ploše, jak je zakresleno na připojeném obrázku. Velikost úhlu čela má vliv na pevnost břitu, velikost řezného odporu a drsnost obrobené plochy. Čím je úhel čela větší, tím snadněji vniká břit do materiálu a řezný odpor je menší. Břit se ale zeslabuje a snáze se vylomí. Při velkém úhlu čela se zhoršuje kvalita obrobené plochy (drsnost), protože břit materiál vytrhává (bude zmíněno v odstavci o mechanismu vzniku třísky). Podle konkrétních podmínek obrábění se volí od + 40° do - 25°. Záporné úhly čela se užívají u břitů zhotovených z materiálů, které mají malou pevnost v ohybu (slinuté karbidy, keramické materiály).

Úhel hřbetu a je definován jako úhel, který svírá tečná rovina vedená k hlavnímu hřbetu ve zvoleném místě ostří (v případě rovinného hřbetu přímo jeho rovina) s rovinou řezu. Velikost úhlu hřbetu má vliv na pevnost břitu a tření nože o obrobek. Podle konkrétních podmínek obrábění se volí od 2° do 25°. Obdobná definice a další popis platí pro úhel vedlejšího hřbetu.

Úhel břitu b je definován jako úhel, který ve zvoleném místě ostří spolu svírají tečná rovina vedená k čelu (v případě rovinného čela přímo jeho rovina) a tečná rovina vedená ke hřbetu (v případě rovinného hřbetu přímo jeho rovina). Velikost úhlu břitu má vliv na pevnost břitu, velikost řezného odporu a odvod tepla z místa obrábění do tělesa nože. Podle konkrétních podmínek obrábění se volí od 40° do 100°.

Úhel řezu d je definován jako úhel, který svírá tečná rovina vedená k čelu ve zvoleném místě ostří (v případě rovinného čela přímo jeho rovina) s rovinou řezu. Je doplňkovým úhlem k úhlu čela do 90°. Jeho vliv a volba velikosti jsou z této skutečnosti patrné.

Je zřejmé, že mezi úhly určovanými v rovině měření platí

 .

V pohledu vedeném kolmo na rovinu řezu je určován úhel sklonu hlavního ostří l. Definován je jako úhel, který svírá tečna k hlavnímu ostří vedená v jeho uvažovaném místě (v případě přímého ostří toto samo) se základní rovinou. Velikost úhlu sklonu ostří má vliv na pevnost břitu, trvanlivost břitu, směr odchodu třísek od ostří a drsnost obrobené plochy. Za kladný je označován úhel sklonu ostří v případě, kdy tečna k němu v uvažovaném místě vedená (u přímého ostří toto samo) klesá k ložné ploše, jak je zakresleno v obrázku. Podle konkrétních podmínek obrábění se volí od + 20° do - 45°. Záporné hodnoty se volí v případech zvýšeného namáhání špičky nože, protože nůž je pak pevnější. Obdobná definice a další popis platí pro úhel nastavení vedlejšího ostří.

V základní rovině jsou určovány úhel nastavení hlavního ostří k, úhel nastavení vedlejšího ostří k‘ a úhel špičky nože e.

Úhel nastavení hlavního ostří k je definován jako úhel, který svírá rovina řezu se směrem posuvu. Z obrázku je zřejmé, že úhel nastavení hlavního ostří má vliv na profil třísky. Při dané hloubce záběru t a daném posuvu s se při malém úhlu k zvětšuje šířka třísky b a zmenšuje její tloušťka a a naopak. Tenká tříska se snáze ohýbá a řezný odpor je menší. Zvětšuje se ale radiální síla působící mezi nástrojem a obrobkem, obrobek je více prohýbán a dochází k jeho chvění.

Naznačené schéma postupného úběru třísek je zjednodušené. Ve skutečnosti se tvar špičky nože kopíruje do obrobené plochy tak, jak znázorněno na dalším obrázku. Z něho je vidět, že při daném posuvu s a malém úhlu k je obrobená plocha kvalitnější, protože výška nerovností n, které na obrobené ploše zůstávají jako stopy po nástroji, je menší. Úhel nastavení hlavního ostří může být podle tvaru nástroje od 0° do 90°. U přímých uběracích soustružnických nožů pro obrábění oceli se zpravidla volí 45°, pro obrábění litiny 60°.

Úhel nastavení vedlejšího ostří k je definován jako úhel, který svírá rovina řezu vedlejšího ostří se směrem posuvu. Jeho vliv je obdobný vlivu úhlu nastavení hlavního ostří.

Úhel špičky e je definován jako úhel, který svírá rovina řezu hlavního ostří s rovinou řezu vedlejšího ostří. Je tedy doplňkovým úhlem k úhlům k a k‘ do 180°:

 .

Význam, vliv a velikost úhlu špičky vyplývají z popisu úhlů nastavení ostří.

Geometrie břitu je rozlišována ve dvou smyslech. V prvním smyslu jsou úhly udávány z hlediska konstruktéra v základní poloze nástroje bez ohledu na jeho skutečné uložení na obráběcím stroji. Takto byly také jednotlivé úhly chápány a zakresleny v předešlém textu. Jsou označovány jako úhly konstrukční.

Jestliže posuzujeme tytéž úhly s ohledem na skutečné uložení nástroje vůči obrobku, nazýváme je úhly technologickými. Hodnoty technologických úhlů se s výjimkou úhlu břitu, který je v obou smyslech stejný, mohou od úhlů konstrukčních lišit. Jako příklad je uvedena rozdílnost velikosti úhlu čela nože při jeho uložení v základní poloze a jeho uložení pod osou otáčení soustruženého obrobku. Je zřejmé, že kladný konstrukční úhel čela se změnil na záporný úhel technologický.

Vznik třísky a její druhy

Nástroj při obrábění odebírá přebytečný materiál ve formě třísky. Podle mechanismu vzniku může být tříska stříhaná nebo odlamovaná.

Stříhaná tříska vzniká při řezném pohybu tlakem břitu nástroje na obráběný materiál. Tlaková síla vyvolává v materiálu kromě napětí normálných také napětí tangenciální, smyková. Jakmile v určité vrstvě materiálu dosáhne smykové napětí meze pevnosti, dojde k odstřižení jeho drobné částice (elementu, článku). Tento proces se opakuje.

Vzniklé elementy třísky zůstávají u křehkých materiálů, například u litiny, vzájemně oddělené. Tříska se pak nazývá elementární. U materiálů houževnatých a tvárných dochází tlakem mezi jednotlivými elementy třísky k jejich spojování do delších úseků. Pokud jsou úseky tvořeny několika elementy, nazývá se tříska článkovitá. Pokud odchází od tříska od břitu jako dlouhý celek, nazývá se plynulá. Plynulá tříska vytváří velké shluky, namotává se na pohyblivé části stroje a ohrožuje obsluhu.

U křehkých materiálů může vznikat tříska odlamovaná (vylamovaná). Zde nedochází k odstřihování jednotlivých elementů, ale k vytrhávání materiálu. Tato skutečnost má za následek velmi nekvalitní povrch obrobku.

Z hlediska kvality povrchu je tedy žádoucí stříhaná tříska. Z hlediska snadné manipulace a bezpečnosti práce je výhodná tříska elementární nebo článkovitá. Druh vznikající třísky závisí především na druhu obráběného materiálu, ale do určité míry je možno mechanismus vzniku třísky ovlivnit volbou geometrie břitu a volbou řezných podmínek (tj. řezné rychlosti, hloubky záběru a posuvu).

Skladnost třísek se posuzuje součinitelem objemu třísky

                                                      

kde Vt  je objem prostoru, který třísky zaujímají a Vm  je objem vlastního materiálu třísek. U oceli a litiny bývá kv = 2 až 6. Nejnižší hodnoty příslušejí třískám elementárním, nejvyšší třískám plynulým. Proto a z dalších již uvedených důvodů je snaha vzniku plynulých třísek zabránit. Jednou z možností je použití tzv. utvařečů třísek, což v podstatě jsou různé překážky pohybu třísky vytvářené nebo umisťované na čele nástroje. V obrázku je jako příklad utvařeče naznačen žlábek vybroušený na čele těsně za ostřím. Podobně je možno na čelo mechanicky upevnit destičku.

 

 

Řezné síly a odpory proti obrábění

Řezným odporem se rozumí odpor materiálu proti vnikání nástroje a odebírání třísek. Je způsoben mnoha faktory:

- soudržností materiálu obrobku

- vnitřním třením při tvoření třísky

- deformací třísky a obrobené plochy

- třením třísky na čele nástroje a obrobené plochy na hřbetu nástroje.

Řeznou silou se rozumí síla, kterou je nutno vynaložit k překonání řezného odporu. Je zřejmé, že řezná síla a řezný odpor jsou spolu ve vztahu akce a reakce. Materiál reaguje na působení nástroje.

Řezná síla i řezný odpor mají obecný směr. Pro určení potřebných dimenzí při konstrukci obráběcích strojů a nástrojů jsou rozkládány do složek ve směru základních pohybů užívaných při obrábění.

Tangenciální složka řezné síly Fz překonává odpor Rz  proti hlavnímu pohybu. Je největší ze všech složek.

Axiální složka řezné síly Fx překonává odpor Rx  proti posuvu.

Radiální složka řezné síly Fy překonává odpor Ry proti vnikání nástroje do hloubky.

Pro celkovou řeznou sílu platí

 .

Vzájemný poměr velikostí složek řezné síly závisí na geometrii břitu. Například při k = 45° je

.

Pro posouzení obráběných materiálů se užívá tak zvaný měrný řezný odpor, který je částí celkového řezného odporu v tangenciálním směru připadající na jednotku plochy průřezu třísky:

 .

Jeho velikost bývá  .

Řezná rychlost

Při důsledném označování by se pod pojmem řezná rychlost měla rozumět rychlost řezného pohybu, to jest relativního pohybu mezi nástrojem a obrobkem. Jak již bylo uvedeno, je řezný pohyb rozkládán na dvě složky: hlavní pohyb a posuv. U některých způsobů obrábění (například soustružení, vrtání, frézování atd.) probíhají oba pohyby současně, u jiných způsobů odděleně (například hoblování, obrážení). Ve všech případech je ale rychlost posuvu mnohem menší než rychlost hlavního pohybu a proto je, poněkud nedůsledně, jako řezná rychlost udávána rychlost hlavního pohybu.

Obecně pro řeznou rychlost v tomto smyslu označování platí

kde s je relativní dráha nástroje vůči obrobku a t je čas potřebný k překonání této dráhy.

Z praktických důvodů se řezná rychlost při obrábění kovů s výjimkou broušení udává v m.min-1, při broušení a obrábění dřeva či jiných dobře obrobitelných materiálů v m.s-1.

Při otáčivém hlavním pohybu se řezná rychlost vypočítá ze vztahů

 .

Při přímočarém hlavním pohybu se řezná rychlost vypočítá z výše uvedeného obecného vztahu.

Výkon při obrábění

Při obrábění působí řezné síly při relativním pohybu nástroje vůči obrobku, charakterizovaném řeznou rychlostí. Tyto dva faktory určují výkon, který je nutno na obrábění vynaložit. Celkový potřebný příkon obráběcího stroje se určuje ze vztahu

kde   P0 je příkon potřebný pro překonání pasivních odporů stroje při jeho chodu naprázdno

         P1 je příkon potřebný pro dosažení hlavního pohybu, to je pro překonání odporu obráběného materiálu proti hlavnímu pohybu

         P2 je příkon potřebný pro dosažení posuvu, to je pro překonání odporu obráběného materiálu proti posuvu.

Protože příkon potřebný pro dosažení posuvu je oproti příkonu potřebnému pro dosažení hlavního pohybu prakticky zanedbatelný, je možno celkový příkon stroje určit z jednoduchého vztahu

kde h je účinnost stroje.

Trvanlivost a životnost břitu

Během obrábění se nástroj otupuje a jeho řezivost se snižuje. Tato skutečnost se projeví zvýšením řezného odporu a tím i příkonu stroje, chvěním obrobku, zhoršením přesnosti a kvality obrobených ploch. Proto je nutno při určitém stupni otupení nástroj ze stroje vyjmout a znovu naostřit. Doba práce nástroje při jednom jeho naostření se nazývá trvanlivostí břitu. Udává se v minutách. Mezi trvanlivostí břitu a řeznou rychlostí platí vztah

kde T je trvanlivost břitu

v je řezná rychlost

T1 je trvanlivost břitu při řezné rychlosti v1

T2 je trvanlivost břitu při řezné rychlosti v2

m je exponent, jehož velikost závisí na materiálu obrobku, materiálu břitu nástroje, geometrii nástroje a řezných podmínkách. Nabývá hodnot m = 2 až 10.

Z výše uvedené rovnice vyplývá mimořádný význam správné volby řezné rychlosti. Například při obrábění oceli nástrojem z rychlořezné oceli může exponent m nabýt velikosti 10. Jestliže by nástroj při správně volené řezné rychlosti v1  dosahoval trvanlivosti T1 =  480 minut, což je celá pracovní směna, zmenšila by se při dvojnásobné řezné rychlosti v2 jeho trvanlivost na

 .

Životností břitu se rozumí součet všech trvanlivostí od prvého použití nástroje do jeho vyřazení z užívání.

Teplo vznikající při obrábění

Při obrábění stlačuje břit nástroje obráběný materiál a deformuje ho, a to zčásti pružně, zčásti trvale. Práce spojená se vznikem trvalé složky deformace se mění v teplo. V rovině střihu se po sobě pod velkým tlakem posouvají elementy stříhané třísky, což je provázeno značným třením. Vzniklá tříska se pak tře po ploše čela nástroje. Za ostřím se v důsledku pružné složky deformace tiskne materiál k ploše hřbetu a dochází zde opět ke tření. Místa vzniku tepla jsou naznačena v obrázku, kde tloušťkou šipek je naznačeno množství vznikajícího tepla.

Důsledkem tření je vždy přeměna mechanické energie na teplo. Z toho vyplývá, že práce spotřebovaná na odebírání třísky při obrábění se nakonec přemění v teplo.

Z míst svého vzniku teplo přechází do třísky, do nástroje, do obrobku a do okolí. Například u soustružení odvádí tříska 50 až 85 % vzniklého tepla, nůž 10 až 40 %, obrobek 3 až 9 %, do okolí odchází asi 1 %.

Na poměry při rozvádění tepla mají vliv řezné podmínky. Například při zvýšení řezné rychlosti se zvýší množství tepla vstupujícího do třísky a zmenší množství tepla odváděného obrobkem.

Teplo vstupující do nástroje ohřívá jeho břit na značnou teplotu. Tím se zmenšuje tvrdost břitu a jeho schopnost obrábět. Proto je nutno nástroje z uhlíkových i slitinových ocelí při obrábění chladit. Pokles tvrdosti slinutých karbidů a keramických řezných materiálů s teplotou je méně významný.

Chlazení nástrojů se provádí přívodem tzv. řezných kapalin do místa řezu. Řezné kapaliny nejen chladí, ale působí také svým mazacím účinkem. Tak zmenšují tření mezi čelem nástroje a třískou, mezi hřbetem nástroje a obrobenou plochou i mezi jednotlivými elementy třísky.

Z funkce řezných kapalin vyplývá, že by měly mít velkou měrnou tepelnou kapacitu, velkou tepelnou vodivost, velký součinitel přestupu tepla a dobrou mazivost. Neexistuje ale kapalina, která by současně splňovala všechny tyto požadavky. U některých kapalin převažuje jejich chladicí schopnost, u jiných schopnost mazací.

Nejčastěji používanými řeznými kapalinami jsou

- vodní roztoky uhličitanu, křemičitanu nebo dusičnanu sodného; dobře chladí, jejich mazivost je nepatrná

- roztoky mýdel (draselného, sodného) a olejů (alizarinového) ve vodě; dobře chladí, mazací účinek mají malý

- emulze, tj. směsi minerálních olejů, mýdla, alkoholu a vody; dobře chladí a mají dobrý mazací účinek; jsou nejrozšířenější řeznou kapalinou

- řezné oleje; jsou to oleje minerální, živočišné i rostlinné; mají vysokou schopnost mazací, ale menší schopnost chladicí.

Obrobitelnost materiálu

Obrobitelností materiálu se rozumí souhrn faktorů, charakterizujících daný materiál, které mají vliv na výkon a náklady při jeho obrábění.

K objektivnímu posouzení obrobitelnosti se  užívá několik metod. Při nich je sledována dosažitelná řezná rychlost pro dané podmínky, řezný odpor vznikající při obrábění, příkon potřebný pro obrábění, teplota břitu, jakost obrobené plochy a další parametry.

V našem strojírenství je obrobitelnost daného materiálu vyjádřena poměrem řezné rychlosti dosažitelné u tohoto materiálu k řezné rychlosti dosažitelné u materiálu etalonového při jinak stejných podmínkách.

Stanovenými podmínkami pro zjišťování obrobitelnosti materiálu soustružením jsou: trvanlivost ostří 60 minut, hloubka záběru 4 mm, posuv 0,6 mm za otáčku, míra otupení na hřbetu 0,8 mm. Etalonovým materiálem je konstrukční ocel 12060.1, u které je při uvedených podmínkách dosahována řezná rychlost 108 m.min-1.

Jestliže je tedy například u daného materiálu za uvedených podmínek dosažena
řezná rychlost 140 m.min-1, je jeho obrobitelnost dána poměrem 140:108  @   1,3.

Charakteristika materiálů číslem vyjadřujícím jeho obrobitelnost určenou výpočtem by byla nepřehledná. Proto je vytvořen zvláštní způsob zařazování materiálů podle jejich obrobitelnosti do tzv. tříd.

Třídy, označené 1 až 20, odpovídají členům geometrické řady s kvocientem 1,26. Například etalonová ocel a další oceli s obrobitelností blízkou 1 jsou zařazeny do třídy 14. Do třídy 15 pak patří oceli s obrobitelností blízkou 1,26, do třídy 16 oceli s obrobitelností blízkou hodnotě 1,262  @ 1,6. a tak dále. Do třídy 13 patří oceli s obrobitelností blízkou hodnotě 1:1,26  @  0,8. Tedy platí, že vyšší třída odpovídá lepší obrobitelnosti.

U litiny jsou materiály s obrobitelností blízkou 1 zařazeny do třídy 11, u barevných a lehkých kovů do třídy 12. Vzhledem k této rozdílnosti je k třídě obrobitelnosti nutno připsat další označení, kterým je u litiny písmeno a,  u oceli b, u barevných kovů c, u lehkých kovů d. Tak například ocel s materiálovým označením 11353 je zařazena do třídy obrobitelnosti 13b, šedá litina s materiálovým označením 422438 je zařazena do třídy obrobitelnosti 9a.

Volba řezných podmínek

Řeznými podmínkami se při obrábění rozumí řezná rychlost, posuv a hloubka záběru.

Volbou řezných podmínek je možno ovlivňovat výkon obrábění, tj. množství materiálu odebraného za časovou jednotku, velikost řezných sil, trvanlivost ostří, příkon stroje, jakost obrobené plochy a další parametry.

Při vypracování výrobního postupu je snahou určit tak zvané optimální řezné podmínky pro daný druh obrábění a žádané výsledky. Optimálními řeznými podmínkami se rozumí takové, při kterých jsou dosaženy nejnižší výrobní náklady při nejkratším možném výrobním čase.

Volbu řezných podmínek ovlivňují zejména

- materiál výrobku

- materiál nástroje

- geometrie břitu

- výrobní stroj

- požadavky na přesnost a drsnost.

Způsoby určování řezných podmínek

Při určování řezných podmínek je nutno respektovat hledisko požadované přesnosti přiblížení se k podmínkám optimálním a hledisko nákladů vynaložených na tuto činnost. Je zřejmé, že uvedená hlediska působí proti sobě: větší přesnost určení znamená vyšší náklady a naopak.

Míra přesnosti přiblížení se k podmínkám optimálním závisí především na povaze výroby (kusová, malosériová, sériová, hromadná). Čím vyšší je počet součástí vyráběných za stejných podmínek, tím více se vyplatí náklady spojené s náročnějším způsobem zjištění optimálních podmínek.

Podle přesnosti a náročnosti je možno uvést základní způsoby určování řezných podmínek v pořadí: zkusmo, podle tabulek a nomogramů, podle normativů, výpočtem.

Určování řezných podmínek zkusmo

Tento způsob by měl být pouze východiskem z nouze v případech, kdy nejsou vlastnosti obráběného materiálu z nějakého důvodu známy. Rozhodování je subjektivní a vyžaduje zkušenost pracovníka. Ten postupně zkouší různá nastavení řezných podmínek od nejmenšího zatížení, tj. malé rychlosti a malého posuvu, k vyšším hodnotám a sleduje vnější projevy spojené s obráběním. Přirozeně je takto možno postupovat pouze v kusové výrobě.

Určování řezných podmínek podle tabulek a nomogramů

Tabulky a nomogramy obsahují jednoduché souvislosti mezi obráběným materiálem, materiálem nástroje a řeznými podmínkami. Hodnoty řezných podmínek jsou zde uvedeny při dolní hranici možností, aby nedošlo k poškození stroje nebo nástroje. Výhodou je rychlost určení řezných podmínek, nevýhodou malá přesnost určení spojená s nízkým využitím výrobní kapacity stroje.

Z uvedených důvodů je určování řezných podmínek podle tabulek a nomogramů vhodné v kusové a malosériové výrobě.

Určování řezných podmínek podle normativů

Normativy jsou velmi podrobnými a dokonale propracovanými tabulkami, sledujícími řadu faktorů ovlivňujících proces obrábění.  Řezné podmínky určené podle normativů se velmi přibližují podmínkám optimálním. Přitom je tento způsob relativně rychlý a pohotový. Používá se v sériové výrobě.

Určování řezných podmínek výpočtem

Výpočtem se určují řezné podmínky v nejnáročnějších případech. Takto určené podmínky se optimálním přibližují nejvíce.

Jako příklad je uveden vztah pro určení řezné rychlosti při soustružení:

kde

vT je řezná rychlost při žádané trvanlivosti ostří

T je žádaná trvanlivost ostří

t je hloubka záběru

s je posuv na otáčku obrobku

Cv je konstanta určující vliv způsobu práce, tj. například hrubování, práce na čisto, vnější soustružení, vnitřní soustružení, čelní soustružení, soustružení válcové plochy atd.

m je exponent určující vliv materiálu břitu na trvanlivost ostří

x je exponent určující vliv hloubky záběru na řeznou rychlost

y je exponent určující vliv posuvu na

Kk je konstanta určující vliv úhlu nastavení hlavního ostří k na řeznou rychlost D

Kk1 úhlu nastavení vedlejšího ostří k1 na řeznou rychlost

Kr je konstanta určující vliv poloměru zaoblení špičky nože na řeznou rychlost

Kch je konstanta určující vliv způsobu chlazení nástroje a obrobku na řeznou rychlost

Km je konstanta určující vliv materiálu obrobku na řeznou rychlost

Kn je konstanta určující vliv materiálu břitu nástroje na řeznou rychlost

KD je konstanta určující vliv dovoleného opotřebení břitu na řeznou rychlost.

Samotný výpočet řezné rychlosti z uvedeného vztahu není při současné úrovni výpočetní techniky náročný. Velmi náročné je ale zjištění všech faktorů ve vzorci vystupujících. To představuje ohromné množství experimentálních měření v proměnlivých podmínkách.

Z uvedeného vyplývá, že tento způsob určení řezných podmínek se vyplatí pouze ve velkosériové a hromadné výrobě, kdy dosažené zvýšení produktivity práce převáží náklady spojené s náročným určením řezných podmínek.

Informativní hodnoty používaných řezných rychlostí

Pro získání základní informace jsou v tabulce uvedeny běžné hodnoty řezných rychlostí užívané při různých metodách obrábění. Uvažována je ocel o pevnosti 500 Mpa a některé další materiály s běžnými pevnostními parametry.

 

druh obrábění

materiál nástroje

materiál obrobku

hrubování

na čisto

soustružení

RO

ocel

         25 m.min-1

 15 m.min-1

 

 

litina

         20

        15

 

 

bronz a mosaz

         40

        30

 

 

hliník

       150

      150

 

SK

ocel

         55

      170

 

 

litina

         60

        80

 

 

bronz a mosaz

       150

      220

 

 

hliník

  1000

až 1000

 

keramika

ocel

       250

       500

 

 

litina

       150

       280

 

 

neželezné kovy

       350

       500

frézování

RO

ocel

25 m.min-1

40 m.min-1

 

 

litina

        25

       40

 

 

bronz a mosaz

        30

       50

 

 

hliník

      250

     375

 

SK

ocel

      130 m.min-1

     180

 

 

litina

      130

     180

 

 

bronz a mosaz

      150

     200

 

 

hliník

    1200

   2000

broušení

 

ocel

30 m.s-1

 

 

litina

                            25

 

 

neželezné kovy

                            30

Nástrojové materiály

 Kapitola o nástrojových materiálech přináší základní informace o materiálech, používaných na funkční části nástrojů určených k obrábění. Stejné materiály jsou ale velmi často používány také pro nástroje určené ke tváření kovů.

Požadavky kladené na nástrojové materiály

Aby byl obráběcí nástroj schopen produktivně pracovat, musí jeho materiál vykazovat především:

- vysokou tvrdost i za zvýšené teploty

- odolnost proti otěru

- stálost rozměrů a tvaru při tepelném zpracování

- dostatečnou houževnatost.

Základní tvrdost nástroje po jeho zhotovení musí samozřejmě být větší než tvrdost obráběného materiálu. Důležité je, aby si získanou tvrdost nástroj podržel i během obrábění, při kterém v místě kontaktu nástroje s obrobkem dochází k přeměně mechanické energie na teplo. Vzniklé teplo ve značné míře vstupuje do nástroje a ohřívá ho. Pokud není nástroj při práci dostatečně chlazen, může zvýšení jeho teploty vyvolat strukturální změny materiálu, spojené se snížením jeho tvrdosti (například popuštění kalené oceli).

Odolnost nástrojového materiálu proti otěru je určujícím faktorem pro trvanlivost ostří nástroje. Čím je tato odolnost vyšší, tím déle si naostřený nástroj udrží svůj přesný tvar. Při styku nástroje s obrobkem dochází k otěru plochy čela a plochy hřbetu na nástroji. Teoreticky je přechod mezi těmito plochami průsečnicí obou ploch. Ve skutečnosti ale mezi plochou čela a plochou hřbetu existuje vždy nepravidelně zakřivená plocha přechodová. Pokud bychom si tuto plochu zjednodušeně představili jako válcovou, zvětšoval by se v průběhu obrábění její poloměr. Tím ovšem dochází ke zvětšení řezného odporu a následně zvětšení otěru, které způsobuje další otupení a tak dále.

Při tepelném zpracování kovů dochází v různé míře ke vzniku vnitřních pnutí, která mají za následek vznik tvarových deformací předmětu. Jejich velikost závisí na povaze materiálu a na teplotním režimu zpracování. U jednoduchých nástrojů je možno nežádoucí změny tvaru vzniklé při tepelném zpracování odstranit při ostření. U nástrojů složitých, zejména tvarových, může být dodatečná korekce tvaru břitu náročná. Proto je nutno pro tvarově složité nástroje vybírat materiál, který při svém tepelném zpracování vykazuje pokud možno nejmenší deformace.

Zatížení břitu nástrojů v průběhu obrábění může být značně proměnlivé. K náhlým změnám zatížení, k rázům, dochází jednak při proměnlivém průřezu vznikající třísky, jednak při rozdílných mechanických vlastnostech v různých místech obráběného materiálu. V prvém případě se může například jednat o obrábění, při kterém tvar obrobené plochy nekopíruje povrch polotovaru (například při soustružení válcové plochy z polotovaru se čtvercovým průřezem). Častým příkladem druhé možnosti jsou tzv. pecky uvnitř materiálu. Jsou to různě velké částice vzniklé rychlým ochlazením rozstříknutého kovu při jeho odlévání, které zůstaly v materiálu zality. Aby břit nástroje nebyl poškozen rázovým zatížením, musí mít jeho materiál kromě potřebné tvrdosti i dostatečnou houževnatost.

Druhy nástrojových materiálů

Podle povahy, složení, vlastností a vhodnosti použití je možno nástrojové materiály rozdělit do následujících skupin:

- oceli - uhlíkové

             - slitinové - nízkolegované

                                - vysokolegované

- stellity

- slinuté karbidy

- keramické materiály

- diamant

- boridy

- nitridy

- brusivo.

Uhlíkové nástrojové oceli

Tvrdost uhlíkových nástrojových ocelí, které obsahují 1,1 až 1,35 % uhlíku, je dosažena jejich zakalením, zpravidla do vody, na martenzit. Z toho vyplývají dva negativní důsledky:

- ochlazovací rychlost je tak velká, že může dojít ke značným tvarovým deformacím nástroje

- nástroje mohou být použity pouze za podmínek, při kterých nedojde k jejich ohřátí na teplotu způsobující rozpad martenzitu (přibližně 250 °C), popuštění kalené struktury a tím k zásadnímu snížení její tvrdosti s následkem další nepoužitelnosti nástroje.

Uhlíkové nástrojové oceli se proto používají pro tvarově jednoduché nástroje určené k obrábění materiálů o malé pevnosti malou řeznou rychlostí. Zejména se jedná o nástroje pro ruční obrábění kovů (například pilníky)  a o nástroje na ruční i strojní obrábění dřeva či jiných podobných materiálů.

Nízkolegované oceli

Také u těchto ocelí je potřebná tvrdost dosažena kalením. Legující prvky obsažené v oceli ale zvyšují její prokalitelnost natolik, že ochlazovací rychlost při kalení může být relativně nižší. Z toho důvodu nedochází k velkým deformacím tvaru nástrojů. Dalším přínosem legujících prvků je zvýšení celkové tvrdosti, odolnosti proti opotřebení a trvanlivosti ostří.

Tyto oceli obsahují 1,1 až 1,5 % uhlíku, dále především chrom, wolfram a vanad. Kalí se do vody nebo oleje, po kalení následuje jednoduché popouštění.

Oceli jsou vhodné pro nástroje pracující při menším namáhání, to je při nižších až středních výkonech a nižších řezných rychlostech. Vyrábějí se z nich například vrtáky, závitníky, závitořezné čelisti.

Vysokolegované (rychlořezné) oceli

Vysokolegované nástrojové oceli uváděné v přehledu nástrojových ocelí vyráběných našimi výrobci obsahují 0,65 až 1,45 % C, 3,8 až 4,8 % Cr, 5,5 až 19 % W, 0,5 až 5,5 % Mo, 1,0 až 4,7 % V, 4,2 až 10 % Co. Tyto údaje jsou ovšem pouze informativní.

Tvrdost vysokolegovaných nástrojových ocelí je dána dvěma vlivy:

- zakalením na martenzit

- přítomností karbidů legujících prvků.

Vysoký obsah legujících prvků způsobuje vysokou prokalitelnost těchto ocelí. Ochlazovací rychlosti mohou být velmi nízké a proto jsou vzniklé deformace malé. Postup kalení těchto ocelí je ovšem podstatně složitější než u ocelí uhlíkových nebo nízkolegovaných. Zpravidla se ohřev i ochlazování provádí stupňovitě, to jest postupně v několika prostředích o různé teplotě.

Karbidotvorné legující prvky Cr, W, Mo a V se slučují s uhlíkem obsaženým v oceli. Vzniklé karbidy jsou velmi tvrdé samy o sobě. Tvrdost oceli je ale závislá na formě, v jaké jsou v ní karbidy vyloučeny.

Proces tepelného zpracování je složen z následujících fází:

1. Ohřev materiálu na teplotu asi 1200 °C, při které se karbidy legujících prvků, vyloučené v původním stavu materiálu na hranicích zrn, rozpustí v základní struktuře. Aby nedošlo během ohřevu v důsledku rozdílnosti teplot na povrchu a uvnitř materiálu ke vzniku pnutí, provádí se ohřev stupňovitě.

2. Prodleva na rozpouštěcí teplotě do vytvoření zcela homogenní struktury.

3. Ochlazení, jehož rychlost musí být dostatečná, aby došlo ke vzniku martenzitu a aby bylo potlačeno opětné vyloučení karbidů legujících prvků na hranicích zrn, ale nikoli nadměrná, aby nedošlo k pnutí uvnitř materiálu. Zpravidla se uskutečňuje stupňovitě v různých prostředích.

Po ochlazení je struktura homogenní. Skládá se z martenzitu a poměrně velkého množství zbytkového austenitu.

4. Ohřev na teplotu přibližně 600 °C (podle složení oceli) a prodleva na této teplotě s následujícím ochlazením. Tato fáze se nazývá popouštěním, přestože její cíl je podstatně odlišný od popouštění běžných ocelí. Během tohoto popouštění dochází u vysokolegovaných ocelí jednak k dodatečnému rozpadu zbytkového austenitu na martenzit, jednak k odměšování karbidů legujících prvků uvnitř a na hranicích zrn struktury, k tzv. precipitaci (česky "vylučování sraženiny"). Takto vzniklé karbidové částice jsou velmi jemné a vyvolávají specifický efekt - dochází k výraznému zvýšení tvrdosti oceli. Zde je právě rozdíl konečného efektu oproti běžným ocelím, u kterých při popouštění tvrdost klesá. Tak zvané popouštění se
u vysokolegovaných ocelí může podle jejich složení vícekrát opakovat (dvakrát až pětkrát), přičemž vždy dojde k dalšímu zvýšení tvrdosti.

Vysokolegované nástrojové oceli vzhledem ke svému složení a způsobu dosažení tvrdosti snášejí při obrábění teplotu až přibližně 600 °C. Proto jsou používány pro výkonné řezné nástroje jako jsou nože, frézy, vrtáky, závitořezné nástroje, výstružníky a další. Jejich použití je velmi široké. Vzhledem k tomu, že relativně dobře snášejí vyšší řezné rychlosti, jsou také nazývány rychlořeznými ocelemi.

Z rychlořezných ocelí se v celku vyrábějí jen menší nástroje. Rozměrnější nástroje se skládají z tělesa, vyrobeného z levnější konstrukční oceli, a z břitové části zhotovené z oceli rychlořezné. Rychlořeznou ocel je možno na těleso nástroje nanést navařením speciální elektrodou nebo se z ní vyrábějí břitové destičky. Ty se k tělesu připojí přivařením, připájením nebo přilepením, větší destičky se uchycují mechanicky, například pomocí šroubů.

Stellity

Stellity jsou řezné slitiny, jejichž tvrdost a řezivost je dána přítomností velkého množství karbidů chromu a wolframu. Byly vynalezeny v roce 1907, ale dříve, než mohlo dojít k jejich významnějšímu rozšíření, byly vynalezeny snadněji zpracovatelné slinuté karbidy.

Stellity obsahují 2 až 4 % C, 20 až 40 % Cr, 10 až 30 % W, 30 až 55 % Co, dále menší množství niklu, molybdenu a dalších prvků. Železo je ve stellitech jako nečistota přimísená při výrobě za surovin a nemá ho být více než 10 %.

Stellity jsou křehké, běžnými nástroji neobrobitelné a nekujné. Proto se nástroje ze stellitů odlévají a to buď vcelku nebo jako břitové destičky. Po odlití se pouze přebrousí. Tepelné zpracování se u nich neprovádí.

Slinuté karbidy

Poprvé se objevily roku 1926. Vyrábějí se metodou práškové metalurgie. Jsou slinutinou karbidů wolframu (WC), titanu (TiC), Ta, Cr a dalších kovů. Jako pojivo karbidů se při spékání (slinování) používá kobalt.

Tvrdost slinutých karbidů je stejně jako tvrdost stellitů dána samotnou povahou materiálu. Proto se ani
u slinutých karbidů neprovádí tepelné zpracování ke zvýšení tvrdosti. Slinuté karbidy snášejí zahřátí břitu až na asi 900 °C.

Podle složení jsou rozlišovány tři základní skupiny slinutých karbidů:

- wolframové, složené z karbidů wolframu a z kobaltu; podle původního německého značení se označují G (Guß = litina) nebo H (Hartguß = tvrdá, tvrzená litina), podle mezinárodního označení ISA se označují K; protože nesnášejí náhlé změny teploty, ke kterým dochází při obrábění materiálů tvořících dlouhou plynulou třísku, jsou určeny pro materiály s třískou drobivou (zejména litina a tvrdší druhy ocelí)

- wolframtitanové, složené z karbidů wolframu, karbidu titanu a z kobaltu; původní označení mají F (Feinbearbeitung = jemné obrábění) nebo S (Stahl = ocel), podle ISA se označují P; jsou určeny pro materiály s dlouhou plynulou třískou, jaká vzniká při obrábění houževnatých ocelí nebo při jemném obrábění

- univerzální, složené z karbidů wolframu, titanu a chromu (Cr3C2); původně byly označovány U, podle ISA jsou označovány M.

Ze slinutých karbidů se zpravidla vyrábějí pouze břitové destičky, které se k tělesu z konstrukční oceli připojují pájením, lepením nebo mechanicky.

Keramické řezné materiály

Základní složkou keramických řezných materiálů je elektrickou cestou vyrobený korund, to jest kysličník hlinitý Al2O3. Korund je jedním z vůbec nejtvrdších známých materiálů. Jeho nevýhodou je křehkost. Proto se do keramických řezných materiálů pro zvýšení jejich houževnatosti přidávají nikl, molybden, chrom a také karbidy titanu, molybdenu a wolframu. Takto vzniklé směsi se zpracovávají metodou práškové metalurgie. Materiály zpracované práškovou metalurgií spojením keramických materiálů s kovy se pak nazývají cermety (z anglického ceramics and metals).

Řezivost keramických nástrojů je dána přímo tvrdostí korundu, případně přimísených karbidů. Tepelné zpracování za účelem zvýšení tvrdosti se neprovádí.

Keramické řezné materiály mají vysokou odolnost proti otěru. Snášejí teploty 1200 °C i vyšší. Jejich podstatnou výhodou je relativně nízká cena.

Diamant

Diamant je vysoce tvrdý materiál, vhodný pro zhotovení obráběcích nástrojů pracujících při speciálních požadavcích. Protože je křehký, nesnáší nerovnoměrný záběr při obrábění.

Břitem nástroje je diamantové zrno, uchycené v tělese nástroje vyrobeném zpravidla z konstrukční oceli.

Diamant snáší teploty až asi 1600 °C a proto se nástrojů s diamantovým břitem užívá pro obrábění s vysokou řeznou rychlostí, potřebnou k dosažení vysoce jemného povrchu (tzv. jemné obrábění).

Nitridy a boridy

Nitridy a boridy jsou moderní nástrojové materiály, svými vlastnostmi a tím i použitím podobné diamantu.

Brusivo

Brusivo je zvláštní skupinou nástrojových materiálů. Nejčastějšími brusnými materiály jsou umělý korund (Al2O3), karbid křemíku (SiC) čili karborundum, karbid boru (B4C), kubický nitrid boru (BN) čili borazon, diamant.