Lubomír Zeman: Vstřikování plastů a kvalita povrchů, 1. část
ÚVOD – Jakost povrchů v oboru vstřikování termoplatů – drsnost tvarových dílů vstřikovacích forem x lesk, mat nebo desén tvarů a ploch výstřiků z termoplastů
Ve strojírensko - plastikářské praxi úplný popis tolerování v technické dokumentaci je jednoznačným nástrojem pro splnění požadavků konstruktéra výstřiku, který do jeho konstrukce vložil všechny požadované funkční vlastnosti. Díky tomu výsledný produkt není ovlivněn osobními názory jednotlivých pracovníků, při jakostní kontrole jsou jasně odlišeny korektní kusy od zmetků. Výsledek závisí na optimálním stanovení tolerancí, jejich dodržení při výrobě a následné správně provedené kontrole výrobku.
Na kontrolované jakostní,obvykle funkční vlastnosti musí navazovat jejich tolerance (reprodukovatelná výroba dílů s nulovou tolerancí není ve výrobní praxi realizovatelná), které můžeme rozdělit do dvou hlavních skupin – tolerance materiálových vlastností a geometrické tolerance. Geometrické tolerance se dělí do několika podskupin: tolerance rozměrové, tolerance tvaru, tolerance polohy a tolerance drsnosti.
Drsnost je vlastnost,která je součástí povrchu a zahrnujeme ji, spolu s dalšími parametry, do pojmu integrita povrchu. Integrita povrchu tvarové dutiny vstřikovací formy je konglomerát vlastností jejichž výčet je na obrázku 1.
| Obrázek 1: Integrita povrchu tvarové dutiny vstřikovací formy |
Integrita povrchu udává vzájemný vztah mezi geometrickými (zejména rozměrovými) a fyzikálními (zejména materiálovými) vlastnostmi povrchu, přičemž jednotlivé vlastnosti předurčují životnost a schopnost povrchu plnit požadované funkce.
Tolerance materiálové vypovídají o nejistotách chemického složení materiálu, strukturní stavbě na atomární úrovni a o jeho fyzikálních vlastnostech. Mezi fyzikální vlastnosti například patří: pružnost, pevnost, tvrdost, magnetické vlastnosti, tepelná a elektrická vodivost. Tyto vlastnosti základního materiálu se mohou lišit od vlastností v povrchové vrstvě, která nás dále, z funkčního hlediska, bude zajímat.
Za integritu povrchu považujeme vztah mezi požadovanými funkčními vlastnostmi povrchu a změnou vlastností nového povrchu, které vznikly výrobou určitým technologickým postupem. To je způsobeno vztahem mikronerovností (geometrické vlastnosti), k fyzikálním vlastnostem (pnutí a tvrdosti). Povrch lze hodnotit pomocí dvou základních vlastností povrchu, a to prostorovým uspořádáním povrchu a fyzikálně-chemickými vlastnostmi povrchové vrstvy.
Jedním z nejdůležitějších parametrů ovlivňujících kvalitu povrchu, provozní vlastnosti povrchu, spolehlivost a životnost výrobku – tvarového dílu formy – je jakost jeho povrchu.
Jakost povrchu je soubor vlastností zkoumané plochy daného objektu, který rozdělujeme na vlastnosti prostorového uspořádání povrchu – drsnost (textura – struktura povrchu, morfologie – nauka o tvarech) a na vlastnosti fyzikální a chemické. Obecně na jakosti povrchu závisí vlastnosti jako například: účinnost, spolehlivost, funkční vlastnosti, vnější vzhled a v neposlední řadě také náklady vztažené k celému procesu výroby. Při obrábění jakost povrchu ovlivníme volbou materiálu obrobku, správného řezného nástroje, zvolením vhodných řezných podmínek, chladící kapalinou,atd. U dynamicky namáhaných součástí se zabýváme únavovými součiniteli, vlastnostmi zvoleného materiálu a zkoumáme únavový lom, který vzniká na povrchu součásti nebo těsně pod ním. Z hlediska statického namáhání se nejčastěji setkáváme s případy namáhání tlakem, tahem, ohybem a krutem, kde největší napětí vzniká opět na povrchu součásti. Odolnost proti korozi pod funkčním napětím musíme zohlednit vzhledem k mikrogeometrii povrchu a následné hrozbě únavového lomu.
Kvalita,nebo-li jakost je údaj o vlastnosti nějaké věci a dává odpověď na otázku „jaký ?“ – latinsky qualis ? – podobně jako pojem kvantita (množství) dává odpověď na otázku „kolik ?“ – latinsky quantum?. Kvalita je obvykle přímo dostupná našemu smyslovému poznání (úsudku a schopnostech pozorovatele), na rozdíl od množství,které je nutno zjišťovat měřením (počítáním, vážením, atd.). Tím ovšem není řečeno, že při hodnocení kvality nejsme schopni,stejně jako u kvantity, na základě definovaných ukazatelů, tyto ukazatele objektivně ověřit.
Norma ČSN EN ISO 9000:2015 Systémy managementu kvality - Základní principy a slovník. Norma popisuje zásady systémů managementu jakosti a specifikuje terminologii systémů managementu jakosti. Norma definuje jakost takto:
Jakost (kvalita) – schopnost souboru inherentních (vnitřně spjatých,neoddělitelných) znaků výrobku, systému nebo procesu plnit požadavky zákazníků a jiných zainteresovaných stran.
Z definice jakosti vyplývá, že se jedná o relativní (hodnocený vzhledem k něčemu) pojem a lze ji vyjádřit, pouze pokud ji vztáhneme ke konkrétnímu zákazníkovi, respektive segmentu trhu. Stejný typ produktu může sloužit k různým účelům a segmenty zákazníků mohou mít na produkt různé požadavky.
ČSN EN ISO 8785:2000 Geometrické požadavky na výrobky (GPS) - Nedokonalosti povrchu – Termíny, definice a parametry. Norma definuje termíny pro nedokonalosti povrchu k používání v technických dokumentech, technických výkresech, vědeckých publikacích, apod. Udává do jaké míry jsou dovoleny nedokonalosti povrchu a napomáhá v určování jejich měřicích metod.
Nutnou součástí specifikace strojírenských výrobků (například vstřikovacích forem), potažmo výstřiků z plastů, jsou požadavky na texturu povrchu. Textura povrchu – surface texture - je dle výše uvedené normy ČSN 8785 definována jako soubor opakovaných nebo náhodných odchylek od geometrického povrchu, které tvoří třírozměrnou topografii (popis povrchových tvarů) tohoto povrchu.
Nejčastěji je textura povrchu hodnocena pomocí dotykových profilových přístrojů (2D měření). V poslední době se k 2D měření připojují měření bezkontaktními optickými nebo laserovými zařízeními (3D měření), které jsou schopny změřit a následně vyhodnotit značné množství parametrů, ať už zmíněných profilových (2D) nebo také parametry plošné a objemové (3D). Tím se výrazně rozšířilo portfolio možností hodnocení textury povrchu. Textura povrchu, tj. jeho uspořádání a tvary z hlediska makro- a mikrogeometrie, představuje důležitý prvek, který určuje významné – viz výše - vlastnosti součástí. Textura povrchu zahrnuje drsnost, vlnitost i tvarovou úchylku sledovaného povrchu. Rozdíly mezi těmito charakteristikami textury jsou dány poměrem rozteče nerovností k jejich výšce. U drsnosti je to poměr 1:50, u vlnitosti je to poměr 50:1 000, u tvarové úchylky povrchu je to hodnota nad 1 000. Z geometrického hlediska jsou velikost, tvar a vzájemné rozložení nerovnosti povrchu určeny,v případě třískového obrábění, tvarem ostří řezného nástroje a podmínkami, které určují trajektorie pohybu ostří nástroje vzhledem k obrobenému povrchu. Struktura povrchu, tvořená, již zmíněnou drsností, vlnitostí a základním profilem povrchu, má rozhodující vliv na vlastnosti a chování součástí v provozu (například na průběh opotřebení, únavové vlastnosti, pevnost spojení, kinematické a dynamické vazby povrchů, apod.). Struktura povrchu spolu s vlastnostmi povrchové vrstvy jsou rozhodující pro životnost a funkční spolehlivost součástí.
Ze strojírensko – plastikářského hlediska je pojem textura, drsnost povrchu vázána zejména k jakosti povrchu obráběných dílů vstřikovacích forem. V oboru vstřikování plastů z pohledu výstřiků a jejich povrchů,obvykle,pracujeme s pojmy – lesk , desén.
Lesk je fyzikální veličina, hodnotící schopnost povrchu předmětu z daného materiálu, za určitých geometrických podmínek o různých směrových odrazových vlastnostech, odrážet světlo. Lesk je vizuální dojem, který máme, pokud výrobek hodnotíme očima. Čím více se světlo od povrchu odrazí, tím více se nám bude zdát povrch lesklejší. Hladké a vysoce leštěné povrchy jsou viditelně lesklejší, nerovné zdrsněné povrchy jsou matnější. Samozřejmě je důležité osvětlení, při kterém lesk vizuálně hodnotíme a úhel, pod kterým se na povrch díváme. Jelikož každý z nás má jiné oči a hodnocení lesku jednotlivcem nemůže být bráno objektivně je zapotřebí použít přístroje, který lesk změří objektivně a přesně. Měřením lesku nezjišťujeme jen základní parametr jako je lesklost povrchu, ale stupněm lesku můžeme, například, zjistit odchylky v působení technologických parametrů vstřikování na vzhledové parametry výstřiků, ke kterým došlo použitím jiného technologického postupu či materiálu. Takto zjištěná odchylka lesku může souviset, například se ztrátou jiných povrchových vlastností materiálu – nekvalitně vykopírovaný povrch tvarových dílů formy – jejich převod na povrch výstřiku.
Koncept „hladkosti“ nebo „drsnosti“ v oblasti hodnocení lesku a v oblasti obrábění je zcela odlišný – drsnost je pokračováním malých povrchových nepravidelností v materiálech vzniklých po obrábění. Do pojmu „drsnost povrchu“ nepatří desén na jeho povrchu, leštění, případně vady povrchu.
Pro pojem „desén“,používaný v plastikářském průmyslu, jsem v odborné literatuře nenašel použitelnou definici. Obecně se dá hovořit o estetické povrchové úpravě výstřiku, o kresbě na povrchu dílu, o vytvoření nesmazatelného prostorového, objemového, 3D grafického nebo jiného motivu na povrchu výstřiku. Způsoby vytvoření desénů jsou uvedeny dále.
Obecně platí,že na výstřicích z termoplastů nejčastěji rozeznáváme dva typy povrchů:
- vzhledové, funkční povrchy, které mohou být leštěné, do tohoto pojmu zahrnujeme i pojem „mat“ nebo desénované
- ostatní povrchy – nefunkční konstrukční povrchy (obvykle se stopami po obrábění tvarových dílů forem), povrchy nutné z ohledu na technologičnost konstrukce daného výstřiku (například lokální odlehčení, žebra, atd.), povrchy pro dobré vyhození výstřiků z tvarové dutiny formy (nejčastěji úkosované plochy a tvary,obvykle technicky leštěné)
Drsnost povrchu
Povrch definujeme jako rozhraní mezi dvěma různými prostředími – základním materiálem a jeho okolím. Uvedené rozhraní určuje výsledný vzhled daného materiálu – v našem případě povrch tvarových dílů vstřikovacích forem,respektive výstřiků. Pojmem kvalita povrchu se rozumí, jak již bylo uvedeno, kromě velikostí nerovností povrchu – drsnost, desény – a jeho geometrického tvaru i chemický a fyzikální stav povrchové vrstvy materiálu.
Struktura povrchu se nazývá textura. Textura je definována jako plocha se souborem zrn, které se nacházejí mezi okolím a plochou výstřiku. Plocha, povrch výstřiku, je složitý systém, kde se vyskytují opakované nebo náhodné úchylky od ideálního geometrického tvaru povrchu.
Drsnost povrchu je definována jako část geometrických úchylek (mikrogeometrie) skutečného povrchu s malou vzdáleností sousedních nerovností a nepravidelností (odchylky) – výstupků a prohlubní od ideálního profilu povrchu idealizovaného jako hladký, lesklý povrch. Drsnost představuje kvantitativní měřítko (číselné, měření lze opakovat a výsledky porovnávat) stop výrobního procesu nového povrchu a dalších složek,které tvoří texturu povrchu, například struktura materiálu. Řezný nastroj zanechává na povrchu stopy. Uspořádání stop má periodický nebo náhodný charakter. Působením „odtrhávání“ mikročástic materiálu při obrábění, zbytků nárůstků na břitu a malých vad na špičce nástroje vznikají i jemnější složky struktury povrchu. Prohlubně a výstupky vznikají při každém opracování materiálů tvarových dílů formy – obrábění řeznými nástroji, elektrochemické obrábění,obrábění brusivem,tváření, odlévání,atd. a v důsledku tváření polymerní taveniny v tvarových dutinách forem se přenášejí jako pozitiv na povrch výstřiku.
Technologicky, drsnost povrchu v oblasti výroby výstřiků z termoplastů vzniká zejména při výrobě vstřikovacích forem, respektive jejích tvarových dílů z nichž vznikají tvarové dutiny forem. Prvotními výrobními technologiemi – obvykle tvářením za tepla nebo za studena – nejsme schopni vytvořit povrch s požadovaným tvarem, geometrickou přesností, drsností a dalšími vlastnostmi povrchu. Požadovaného povrchu docílíme až dalším opracováním přídavků povrchu příslušných polotovarů.
Hlavními technologiemi používanými při výrobě povrchů tvarových dílů vstřikovacích forem jsou technologie třískového opracování povrchů (zejména frézování, vrtání a broušení), kdy nově obrobený povrch vznikne působením břitu řezného nástroje na obráběný povrch. V důsledku geometrie nástroje a jeho kinematického účinku vznikají na obrobku nerovnosti, které ještě důsledkem chemických a fyzikálních změn vlastností materiálu mají často charakteristické uspořádání.
Z mnoha příčin se skutečné nerovnosti liší tvarem, velikostí i četností a převládají do určitého směru. Nerovnosti jsou ovlivněny materiálovými a technologickými vlastnostmi. Volba řezných podmínek ovlivňuje materiálové vlivy, jelikož obrábění je způsobené plastickou deformací důsledkem mechanickým i tepelným. Chvění obrobku a nástroje, opotřebení břitových destiček, nepravidelnost ostří nástroje, změna řezného prostředí přívodem chladící kapaliny z trysky nebo vysokotlakého vodního paprsku a tření hřbetu nástroje po obrobené ploše – všechny tyto stavy patří mezi vlivy technologické. Na zhoršení drsnosti mají významný vliv i materiálové faktory. Tento fakt je dán především mechanismem tvorby nového povrchu, který se mění podle struktury a vlastností materiálu.
Další významnou technologií při jejímž použití vznikají povrchy s drsností, případně s desénem je technologie elektroerozivního obrábění (EDM – Electro Discharge Machining). Z portfolia postupů elektroerozivního obrábění se nejčastěji využívá elektroerozivní hloubení, drátové řezání a elektroerozivní desénování. Fyzikální proces (odtavování, odpařování) odebírání materiálu z příslušného povrchu je založen na impulsních elektrických případně obloukových výbojích rozložených po celé aktivní ploše nástroje - elektrody. Při každém výboji dojde k narušení materiálu povrchu a vytvoření malého kráteru jak na obrobku tak i na nástroji. Mikročástice, které se při procesu odtavují a odpařují, jak z nástrojové elektrody (z mědi nebo uhlíkové), tak z obrobku, jsou z místa narušení výbojem odplavovány proudícím dielektrikem (látkou s malou elektrickou vodivostí – izolant – s velkým elektrickým odporem, schopnou v elektrické poli akumulovat energii). Při některých postupech může nástrojová elektroda kmitat, což zlepšuje proudění dielektrika a odplavování vzniklých mikročástic z jiskrové mezery. Teplota, při které dochází k odpařování materiálu se liší podle toho, zda je použit elektrický oblouk (teplota 3 600 °C až 4 000 °C po dobu 0,1 ms až 0,1 s) nebo jiskrový výboj (teplota až 10 000 °C po dobu 0,01 ms až 0,1 ms).
Jak již jsem uvedl po pojmu „drsnost“ povrchu nepatří jeho desén, leštění a případné vady povrchu – povrchové trhliny,praskliny, naraženiny, škrábance, a pod..
Parametry jakosti povrchu – drsnost povrchu
Jakost povrchu je složená z náhodných nebo opakujících se odchylek v porovnání s ideální plochou. Je charakterizována – drsností,zvlněním – jedná se o část textury, na které je vytvořena drsnost; zvlnění může být způsobeno chvěním,deformací obrobku – obvykle se jedná o vliv obráběcího stroje – malá tuhost, nevyvážený brusný kotouč, nepřesnosti ve vedení, a pod., směrem stop po obrábění a vadami povrchu – viz obrázek 2:
| Obrázek 2: Charakteristiky povrchu |
Význam stavu povrchů ve strojírenské praxi, v našem případě ve výrobě vstřikovacích forem, je znám již mnoho let. Proto vznikly pro jejich popis, snímání a hodnocení obecně platná pravidla a metodiky, které se promítly do příslušných norem s obecně známými parametry drsnosti povrchu, nejčastěji Ra a Rz. Pohled na drsnost je ve většině nástrojařských případů pouze profilový (2D) - v jedné řezové rovině,přímce, což způsobuje nemožnost objektivního podchycení všech jeho vlastností ve všech směrech (tj. v ploše, 3D). Proto se používají i způsoby komplexnějšího snímání - převážně optického, případně laserového, v podobě 3D skenů – plošné snímání.
Pro názornost uvedu měření drsnosti profilové a plošné. Profilové měření je prováděno v místě bez vrubu (obrázek 3) a druhé měření přes místo s vrubem (obrázek 4). Nejen místo a směr měření povrchové profilové drsnosti, 2D měření, ale nakonec i rozdíl ve výsledných hodnotách parametrů drsnosti ukazuje zlepšení vypovídající hodnoty u plošných, 3D měření drsnosti povrchů – obrázky 5 a 6.
Poznámka – u obou typů měření bude vždy výsledek záviset na výběru místa měření.
| Obrázek 3: Měření profilové drsnosti v místě „bez vrubu“: Ra = 333,62 nm, Rq = 437,42 nm, Rz = 2,8408 µm |
| Obrázek 4: Měření profilové drsnosti v místě „s vrubem“: Ra = 1,0689 µm, Rq = 2,0907 µm, Rz = 8,2572 µm |
| Obrázek 5: Plošná drsnost - referenční povrch (3 x 0,5 mm) s vyhodnocením parametrů plošné drsnosti: Svk = 498,81 nm (průměrná výška vrcholů nad jádrem drsnosti), Vvv = 0,054312 ml.m-2 (objem prázdného místa pod jádrem drsnosti) |
| Obrázek 6: Plošná drsnost - broušený povrch (3 x 0,5 mm) s vyhodnocením parametrů plošné drsnosti: Svk = 5,44 µm, Vvv = 0,36 ml.m |
Norma ČSN EN ISO 4287 definuje tři geometrické parametry profilové drsnosti: viz obrázek 7
- parametr P vypočtený ze základního profilu
- parametr W vypočítaný z profilu vlnitosti
- parametr R vypočtený z profilu drsnosti
| Obrázek 7: Základní parametry profilu (po filtraci změřených hodnot profilu povrchu) |
Nejčastěji používanými parametry vypočítanými z profilu drsnosti jsou parametry Ra a Rz – viz ČSN EN ISO 4287,obrázek 8 a 9.
| Obrázek 8: Definice a výpočet drsnosti Ra – střední aritmetická úchylka profilu v rozsahu základní měřené délky profilu |
Ra – střední aritmetická odchylka profilu v rozsahu základní měřené délky profilu – jedná se o nejpoužívanější parametr pro hodnocení kvality povrchu,jeho nevýhodou je jeho citlivost k vychýleným hodnotám (minima ,maxima). Obvykle se totiž počítá pomocí aritmetického průměru – statistická metoda určená Ra, obrázek 8, vzorec vlevo (vpravo integrální metoda určení Ra) - parametr Ra velké výstupky a velké prohlubně pouze zprůměruje a nedá informaci o jejich velikosti. O jejich velikosti vypovídá parametr Rz - výška nerovností mezi nejvyšším a nejnižším bodem profilu – maximální výška profilu z deseti bodů.
| Obrázek 9: Definice a výpočet drsnosti Rz – výška nerovností mezi nejvyšším a nejnižším bodem profilu – maximální výška profilu |
Hodnoty Ra a Rz se udávají v mikrometrech (1 µm = 0,001 mm = 0,000001 m), obvykle v praktické řadě – 0,025 ; 0,05 ; 0,1 ; 0,2 ; 0,4 ; 0,8 ; 1,6 ; 3,2 ; 6,3 ; 12,5 ; 25 ; 50 µm. Základní doporučené délky l jsou 0,08 ; 0,25 ; 0,8 ; 2,5 ; 8 ; 25 mm – tabulka 1.
| Tabulka 1: Doporučené základní délky v závislosti na Ra |
Požadovanou drsnost funkčního povrchu lze empiricky (do určité míry přesnosti) zvolit podle rozměrové tolerance. Vychází se přitom ze základního předpokladu,že drsnost povrchu nepřesáhne určitou část rozměrové tolerance. Uvedené lze vyjádřit rovnicí
Rz = K.TD, kde Rz je maximální výška profilu, TD je rozměrová tolerance a K je součinitel uvedený v tabulkách 2 a 3. Součinitel K se volí v závislosti na rozsahu jmenovitých rozměrů přiřazených k dané toleranci a také závisí na typu uložení. Doporučené hodnoty drsnosti povrchu přiřazené k tolerančním stupňům udává tabulka 4.
| Tabulka 2: Součinitel K v závislosti na uložení |
| Tabulka 3: Součinitel K podle jmenovitého rozměru |
| Tabulka 4: Doporučené hodnoty drsnosti povrchu přiřazené k tolerančním stupňům |
Norma ČSN EN ISO 25178: 2002 Geometrické specifikace produktu (GPS) - Textura povrchu: Plocha definuje analýzy drsnosti povrchu pro plošná (3D) měření.
Příklad vyhodnocení plošného měření drsnosti povrchu – díl vyrobení technologií DMLS – Direct Metal Laser Sintering – nebo SLS (Selective Laser Sintering) - laserovým spékáním a díl vyrobený technologií DMLM – Direct Metal Laser Melting – nebo SLM (Selective Laser Melting) - laserové tavení. Obě to jsou technologie aditivního 3D tisku (vrsta po vrstvě), vzorek měl velikost 30 x 31 x 1,5 mm, DLMS – tloušťka spékané vrsvty 0,04 mm, rychlost pohybu spékací hlavy laseru 100 mm.s-1.
| Obrázek 10: Sintered – povrch spečeného prášku – technologie DMLS / Melted – povrch částečně roztaveného prášku – technologie DMLM |
| Obrázek 11: Detail snímaného povrchu |
| Obrázek 12: 3D snímek hodnoceného povrchu – velikost snímané plochy 0,36 mm2 |
| Obrázek 13: Vyhodnocení měření pro výškové parametry Ra |
| Obrázek 14: Vyhodnocení měření pro výškové parametry Rz |
Konec první části. Druhou část naleznete zde.
Titulná fotografia: R & D MOLD MACHINING s. r. o.
-
Jiří Češka, Nástrojárna Příbram
Výroba vstřikovacích forem, střižných a lisovacích nástrojů, CNC obrábění, elektroerozivní obrábění, laserové navařování.
Termoplastická prášková barva Pulron pro ocelové trubkové (tubulární) mosty a lávky
17.6.2026 U ocelových trubkových mostů a lávek (tubulárních mostů) nerozhoduje pouze vzhled povrchu. Důležité je, aby povrchová úprava dlouhodobě chránila kov před korozí, vlhkostí, UV zářením i běžným mechanickým namáháním v...
