Progresivní PVD povlaky pro frézování kolejnic

Síly v místě styku kola s kolejí musejí být dostatečně nízké, aby byl pohyb těžkého vlaku po kolejích uskutečněn s co nejmenším odporem. Současně je však nutné zajistit dostatečnou trakci, brzdnou sílu a ovladatelnost vlaku. Dalším důležitým fyzikálním procesem, ke kterému dochází při kontaktu kola a koleje, je tření. Velikost tření má vliv na adhezi, opotřebení, valivý odpor a hluk. Je tedy velice výhodné efektivně řídit velikost třecích sil pomocí modifikátorů – lubrikantů. Ty se však musejí používat obezřetně tak, aby nedošlo ke ztrátě adheze, a tedy i trakce.

Z výše zmíněných důvodů se při provozu železniční dopravy setkáváme s generováním vibrací (v rozsahu 4÷80 Hz) a hluku (30÷250 Hz). Vibrace jsou následně přenášeny do vagonů a okolí, čímž je ovlivněn komfort cestujících a obyvatel žijících v blízkosti tratě. Nejvýznamnější zdroj hluku se nachází právě v místě styku kola s kolejí. Proto je třeba řešit po určité době renovaci kolejí. Způsobů renovace kolejnic je více, my se budeme věnovat jen jednomu z nich, a to frézování přímo na kolejovém svršku.

K renovaci kolejí se používají dva typy strojů. V obou případech se stroj pohybuje po kolejích konstantní rychlostí přibližně 700 m.h^-1. Za pomoci dvou nebo tří frézovacích jednotek (záleží na typu a výrobci stroje) dochází k úběru materiálu – renovaci. Průměry fréz se mohou lišit, nejčastěji se však používá průměr 600 mm. Na každé straně stroje můžeme nalézt jednotku hrubovací, dokončovací a někdy i superdokončovací (frézovací nebo brousicí).

Ovládací systém těchto jednotek je umístěn v kabině řidiče. Zde je možné upravovat hloubku řezu a posuvovou rychlost. V kabině řidiče je také umístěna obrazovka, na které se zobrazuje již obrobená kolej pro sledování kvality povrchu a opotřebení destiček. Třísky vznikající při frézování jsou odsávány do zásobníku.

Řezné podmínky frézovacího stroje (sousledné frézování) jsou: D = 600 mm, z = 22 zubů, vc = 220–280 m.min-1, n = 120–150 ot.min-1, f = 700 m.h-1, ap = 1,5 mm.

Materiálem kolejnic je ocel třídy R350 HT (kolejnice s vyšší otěruvzdorností) s hlavou kolejnice vytvrzenou na 900–1 200 MPa, někdy také vytvrzenou provozem až na 1 500 MPa (27–46 HRC).
Požadovaná tolerance obrobení kolejnic závisí na maximální rychlosti na trati a činí:
• 0,2 mm pro více než 280 km.h-1;
• 0,3 mm pro 160–280 km.h-1;
• 0,5 mm pro rychlosti menší než 160 km.h^-1.

Pramet Tools ve spolupráci s SHM řešil vývoj vlastních vyměnitelných břitových destiček pro uvedené aplikace. V první fázi probíhaly testy na zkušebně obrábění Pramet Tools se simulací řezných podmínek podobných jako na železnici, které měly posloužit k optimalizaci následujících vstupních podmínek:
1. složení slinutého karbidu (SK);
2. výběr typů technologie přípravy povlaků – pro testy vybrány následující typy povlaků:
• CVD;
• kombinace CVD a PVD;
• PVD.

Závěry z první fáze testů:
1. Co se týká slinutých karbidů, z hlediska otěrů i spolehlivosti se osvědčily materiály typu H – tj. systém WC-Co.
2. CVD povlaky byly charakteristické sice nižším otěrem, ale menší provozní spolehlivostí – ta je však na železnici naprosto zásadní. Základním problémem bylo vytváření hřebenových trhlin, které vedly k neřízenému vyštípnutí řezné hrany VBD.
3. Přestože řezné rychlosti byly z hlediska použití PVD povlaků poměrně vysoké, bylo s nimi dosaženo nejen vysoké trvanlivosti, ale i velké odolnosti vůči vytváření tepelných trhlin. Bylo rozhodnuto, že ve druhé fázi se vývoj PVD povlaků zaměří na zvýšení jejich otěruvzdornosti.

V rámci druhé fáze vývoje byly připraveny dva běžné výrobní povlaky a dva speciální povlaky typu TripleCoating, z toho jeden na bázi nanokompozitu. Právě povlaky typu TripleCoating, které se skládají ze tří vzájemně se doplňujících vrstev, se ukázaly být nejvhodnějším řešením. Horní vrstva na bázi nanokrystalického kompozitu TiAlSiN zabezpečuje vysokou odolnost vůči abrazi. Tvrdost této samotné vrstvy dosahuje až 43 GPa. Vysoká tvrdost povlaku je velmi důležitá, protože materiál kolejí je poměrně tvrdý, navíc výrazně zpevněný provozem. Naproti tomu hlavní, houževnatá část povlaku na bázi multivrstvy TiAlN/TiN funguje jako účinná bariéra proti šíření tepelných trhlin.

Pro frézování na železnici byly použity následující tvary VBD:
• hrubovací VBD – SPGX 150608 a SPGX 190605;
• dokončovací VBD – SPGX 150608 a LPGX 270615. LPGX 270615 vytváří rádius kolejnice.

Použité substráty (materiál VBD):
• vzorek A – jemnozrnný substrát s relativně nízkým obsahem kobaltové pojicí fáze zajišťující vysokou tvrdost;
• vzorek B – jemnozrnný substrát se středním obsahem kobaltové pojicí fáze zajišťující kombinaci poměrně vysoké tvrdosti a houževnatosti.

Jako optimální řešení vyšla z druhé fáze vývoje kombinace vzorku A z materiálové řady VBD Pramet Tools s nanokompozitním povlakem TripleCoating společnosti SHM. Závěry z druhé fáze testů lze shrnout do následujících bodů:
• bylo dosaženo nejlepší stability řezné hrany;
• bylo dosaženo nejlepší odolnosti proti vzniku a šíření tepelných trhlin;
• 83 % destiček mělo standardní rovnoměrné opotřebení na hřbetě – v průměru VB = 0,12 mm;
• 17 % destiček mělo max. opotřebení na hřbetě – v průměru VB = 0,43 mm.
Přes dosažené výborné výsledky bylo zadání vývoje rozšířeno na požadavek dalšího zvýšení otěruvzdornosti VBD při zachování provozní spolehlivosti, to znamená na další optimalizaci PVD povlaku.

Ve třetí fázi vývoje došlo k nahrazení hlavní, střední multivrstvy TiAlN/TiN ve struktuře TripleCoating novou multivrstvou s odlišným složením. Tato struktura účinně potlačuje vznik tepelných trhlin a je charakteristická vyšší otěruvzdorností. Při vývoji povlaku byla pozornost zaměřena i na optimalizaci tlouštěk jednotlivých vrstev v multivrstevném systému, změnu vnitřního napětí povlaku i optimalizaci složení horní vrstvy TiAlSiN. Výsledkem vývoje jsou povlaky se zvýšenou otěruvzdorností a vysokou provozní spolehlivostí. V současnosti je tato varianta s úspěchem nabízena i pro jiné oblasti – například pro dokončovací frézování kalených materiálů. Vzhledem k potřebě snažší indikace opotřebení VBD (frézování kolejnic se provádí obvykle v noci) bylo ještě třeba opatřit povlak zlatou indikační vrstvou TiN.

Po závěrečném porovnání výsledků s konkurencí bylo zjištěno nižší opotřebení VBD Pramet. Vždy byly srovnávány shodné typy destiček určené pro příslušnou aplikaci.

V případě porovnání trvanlivostí VBD při hrubovacím i při dokončovacím frézování kolejnic bylo změřeno opotřebení destiček po frézování stejného úseku trati. Výsledky velikostí otěrů při hrubování a dokončování byly zaneseny do grafů (viz obrázky). V průměru měly VBD Pramet o 33 % vyšší životnost než konkurent 1. Také počet VBD s maximálním otěrem a počet hřebenových trhlin vyskytujících se na řezné hraně byl nižší než u konkurence.

Nástroje pro frézování kolejnic byly řešeny komplexně. Byly vyvinuty jak nové nástroje, tak i nové typy PVD povlaků. V případě konstrukce nových fréz bylo dosaženo následujících úspěchů:
• byl vyvinut jeden nástroj vhodný pro hrubování a zároveň pro dokončování;
• kazetové řešení frézy – v případě destrukce lůžka je možné vyměnit pouze jednu kazetu;
• bylo dosaženo výborné kvality obrobeného povrchu, stejně jako přesnosti profilu.

PVD povlaky přinesly i další výhody:
• celkové zvýšení trvanlivosti VBD o 33 % oproti konkurentu 1;
• bylo dosaženo stabilního výkonu, který přitom hodně závisí na stavu koleje – na množství svarů a návarů, na nečistotách na kolejích apod.

Výsledkem společného vývoje je obchodní úspěšnost nových typů VBD na velmi obtížném segmentu mezinárodního trhu.

Bez ohledu na výborný výsledek vývoje a nasazení nových VBD do běžné výroby pokračují další vývojové práce na zlepšení vlastností nových typů povlaků. Tyto činnosti probíhají opět ve spolupráci obou firem, a to v rámci projektu TIP. Tento projekt je realizován za finanční podpory z prostředků státního rozpočtu prostřednictvím Ministerstva průmyslu a obchodu.

RNDr. Michal Šíma,
Ing. Tomáš Hantek

SHM, Pramet Tools
sima@shm-cz.cz
tomas.hantek@pramet.com
www.shm-cz.cz
www.pramet.com