Chlazení pomocí CO2 zvyšuje produktivitu obrábění těžkoobrobitelných materiálů

Snížení množství vylučovaných škodlivých emisí a současně snížení spotřeby pohonných hmot u spalovacích motorů řeší konstruktéři použitím vyššího vstřikovacího tlaku a vyšších teplot spalování, což klade vysoké nároky na konstrukční materiály nových generací motorů. V budoucnu se bude zvyšovat obsah legujících prvků v litině, zejména titanu, což zhorší jejich obrobitelnost. Důsledkem globálního převádění výroby na Dálný východ nastanou problémy při zpracování materiálů dané odlišnými normami a jiným složením používaných materiálů. Poroste počet používaných těžkoobrobitelných materiálů, u kterých bude požadována vyšší tvrdost, odolnost proti vyšším teplotám, houževnatost a udržení tvrdosti za vyšších teplot. Tento trend se projevuje již nyní zejména v automobilovém průmyslu, v konstrukci letadel a ve výrobě forem.  

Polykrystalický diamant se jeví jako ideální řezný materiál

Uvedené trendy a s tím související problémy vyžadují řezné materiály, které mají vysokou tvrdost, odolnost proti opotřebení a jsou málo citlivé na kolísání obsahu legujících prvků v materiálu obrobku. Z diagramu na obr. 2 je vidět, že polykrystalický diamant se jeví jako nejvhodnější materiál pro použití při obrábění těžkoobrobitelných materiálů, zejména s ohledem na jeho odolnost proti opotřebení. V posledních letech se v odborné literatuře objevuje celá řada článků popisujících použití PKD pro obrábění litiny. V tomto článku jsou popsány výsledky obrábění litiny GJV pomocí polykrystalického diamantu při různých strategiích chlazení.

Ve srovnání s dosud používaným slinutým karbidem má PKD výhody spočívající ve vyšší tvrdosti, vyšším modulu pružnosti E, schopnosti vést teplo a v lomové houževnatosti. Za určitých podmínek lze dosáhnout snížení výrobních nákladů, jakož i zvýšení produktivity díky vyšší trvanlivostí břitu při současně vyšších řezných rychlostech. Velkou nevýhodou diamantu však je jeho vysoká afinita k materiálům na bázi železa. Vyšší teploty řezání snižují odolnost diamantu proti opotřebení v důsledku grafitizace a tepelné nestability diamantové matrice.  

Vhodná metoda chlazení brání grafitizaci diamantu

Až dosud bylo hospodárné využití polykrystalického diamantu při obrábění neželezných kovů, plastů vyztužených vlákny, dřeva a hornin. Poslední výzkumy však ukázaly, že negativní vlastnosti PKD (difuze a grafitizace) lze zmenšit nebo úplně odstranit použitím vhodné strategie chlazení. Výzkumy provedené na PTW byly zaměřeny na zvýšení produktivity obrábění litiny GJV polykrystalickým diamantem. Byly zkoušeny různé metody a strategie chlazení, výsledky jsou uvedeny dále. Experimenty byly prováděny na soustružnickém centru typ CTX beta 800 firmy DMG. Jednalo se o zkoušky trvanlivosti břitu při podélném soustružení. Jako kritérium trvanlivosti bylo zvoleno opotřebení na hřbetě hlavního a vedlejšího břitu vyměnitelné břitové destičky z PKD. Velikost opotřebení byla měřena digitálním mikroskopem firmy Hitec. Zkouška byla ukončena při dosažení zvoleného kritéria VB_max = 150 μm. Pro měření jakosti obrobeného povrchu bylo použito přenosné zařízení firmy Mahr. Obráběným materiálem byla litina GJV-450 o minimální pevnosti R_m= 450 MPa, struktura je na obr. 3. Grafit je vyloučen nepravidelně (obr. 3a), struktura sestává z 94,5 % z perlitické matrice (obr. 3b). Tvrdost těchto materiálů je HB 247.

Delší trvanlivost s hrubozrnným PKD

Dříve provedené výzkumy ukázaly, že z hlediska trvanlivosti břitu nástroje je při obrábění litiny GJV výhodné použít hrubozrnný PKD s ostrými břity. Nástroj použitý ve zkouškách odpovídal tomuto poznatku.

Cílem prováděných experimentů bylo zjistit vliv procesu chlazení a mazání na trvanlivost materiálu břitu. Zkoušky byly provedeny při různých strategiích chlazení a mazání. Postupně bylo zkoušeno chlazení konvenční chladicí emulzí vhodnou pro obrábění litiny, dále sněhovým CO₂ a sněhovým CO₂ s přidáním minimálního množství maziva (MMS). Rovněž bylo měněno množství dodávaného chladicího média. Uspořádání pokusů ukazuje obr. 4. Experimenty byly prováděny při třech velikostech řezné rychlosti v_c1 = 210, v_c2 = 230 a v_c3 = 250 m.min^-1.  Ostatní řezné podmínky byly konstantní: hloubka řezu a = 0,15 mm a posuv f = 0,3 mm za otáčku. Zkoušky byly několikrát opakovány při stejných řezných podmínkách.

Výsledky experimentů umožnily učinit jednoznačné závěry o vlivu různých strategií chlazení na trvanlivost břitu nástroje a jakost obrobeného povrchu (obr. 5 a 6). Z hlediska trvanlivosti břitu se jako optimální ukázalo použití sněhového CO₂, zejména při řezné rychlosti v_c1 = 210 m.min^-1 je obrábění spolehlivé.

Použití sněhového CO₂ v kombinaci s MMS nepřineslo předpokládaný efekt. Mazivo brání přenosu tepla v oblasti obrábění a to tím více, čím více je maziva přidáno. Oproti použití sněhového CO₂ v podobě sněhu, bez maziva, se trvanlivost břitu sníží o více než 50 %.

Jako naprosto nevhodné se jeví použití konvenční chladicí emulze, kdy se dosáhlo trvanlivosti břitu pouze 22 minut. Hodnota opotřebení břitu byla značně vyšší než u ostatních metod chlazení. U všech strategií chlazení dochází při zvyšování řezné rychlosti ke snížení trvanlivosti břitu.

Z hlediska dosahované jakosti obrobené plochy se ukázaly rovněž rozdíly mezi jednotlivými strategiemi chlazení. Na obr. 5 jsou uvedeny hodnoty jakosti v R_z dosahované při obrábění hrubozrnným PKD (50 μm) u zkoušených strategií chlazení. Z diagramu je vidět, že nejmenší hodnoty drsnosti obrobeného povrchu se dosáhlo při řezných rychlostech v_c2 = 230 a v_c3 = 250 m.min^-1 při chlazení sněhovým CO₂. Při použití chlazení konvenční chladicí emulzí byly hodnoty drsnosti povrchu horší o 27 % než při použití sněhového CO₂. Lepších hodnot jakosti obrobeného povrchu se nedosáhlo ani při přidání MMS, z diagramu je však vidět, že se zvětšením množství dodávaného maziva dojde u vyšších řezných rychlostí k mírnému zlepšení jakosti obrobeného povrchu. Tyto vyšší řezné rychlosti však leží mimo oblast hospodárného obrábění materiálu GJV polykrystalickým diamantem.

Tloušťka tepelně ovlivněné oblasti

Rozdíly v hodnotách jakosti obrobeného povrchu lze vysvětlit zkoumáním okolí oblasti obrábění obráběného materiálu. Ukazuje se, že okolí oblasti obrábění má různě tlustou tepelně ovlivněnou vrstvu. Největší tepelně ovlivněná oblast je při chlazení sněhovým CO₂ v kombinaci s MMS. Oblast je tvořena relativně tenkou zakalenou zónou, která přechází v zónu popuštěnou. Ve srovnání je tepelně ovlivněná oblast při chlazení pouze sněhovým CO₂ značně menší. Také zde však existuje úzká zakalená zóna s následující ostře ohraničenou popuštěnou zónou. Chlazení konvenční chladicí emulzí vykazuje ovlivněnou oblast o velmi malé tloušťce. Oblast je tvořena převážně zakalenou zónou od původní struktury ostře ohraničenou extrémně tenkou pouštěnou zónou. Vzhledem k velmi malé tloušťce ovlivněné oblasti roste nebezpečí vzniku mikrotrhlin a „odlupujících" se vrstviček materiálu na okraji ovlivněné oblasti. Extrémně vysoká rychlost ochlazování materiálu v oblasti obrábění vede k jeho zkřehnutí a je příčinou vysoké drsnosti obrobeného povrchu. Z provedených zkoušek obrábění materiálu GJV-450 plynou pro obrábění tohoto materiálu břity PKD poznatky ohledně strategie chlazení a mazání. Pro obrábění uvedenými řeznými rychlostmi nelze doporučit chlazení konvenční chladicí emulzí. Jako vhodná strategie se jeví použití chlazení pomocí sněhového CO₂, které je nejlepší jak z hlediska trvanlivosti břitu, tak také z hlediska jakosti obrobeného povrchu.

Malé opotřebení a vysoká stabilita obrábění

Řezný materiál PKD vykazuje zejména u nižších zkoušených řezných rychlostí velmi malé opotřebení a vyšší stabilitu procesu obrábění. Chlazením sněhovým CO₂ v kombinaci s MMS se nedosáhne zlepšení trvanlivosti břitu nástroje. Velké rozdíly ve výsledcích experimentů a tedy těžko předvídatelná trvanlivost břitu mají za následek malou stabilitu procesu obrábění.  Další podrobnější pohled na mechanismus probíhajícího opotřebení břitu by mohlo dát studium vznikajících vibrací a průběhu tření na břitu mezi obrobkem a břitem nástroje. Z provedených zkoušek nebylo možné učinit jasný závěr o vlivu MMS. Pravděpodobně nelze při chlazení sněhovým CO₂ v kombinaci s MMS očekávat, že dojde ke zvýšení trvanlivosti břitu na hodnoty dosahované při chlazení sněhovým CO₂. I při vyšších cenách vyměnitelných břitových destiček z PKD lze při obrábění materiálu GJV-450 použitím chlazení pomocí sněhového CO₂ dosáhnout hospodárného obrábění a zvýšení produktivity o mnoho procent oproti obrábění slinutým karbidem. 

Marc Sieber          

Zdroj: MM Das Industriemagazin, č.19/2010

Zpracoval -VŘ- 

dana.benesova@mmspektrum.com