Témata
Zdroj: SHM

Inovativní povlak pro závitování nerezových ocelí

Spolupráce českých firem SHM a Narex Ždánice s odborníky z Ústavu strojírenské technologie VUT v Brně přinesla nový, specializovaný závitník FeniX s unikátním povlakem Tigaan Taps. Tento nástroj, určený do korozivzdorných ocelí, obstojí v konkurenci jak na domácím, tak i na světovém trhu.

Reklama

Závitování je nedílnou součásti mnoha strojírenských aplikací, kde slouží ke spojování dílů nebo k přenosu pohybu. Pro výrobu vnitřních závitů se často využívají řezací závitníky s broušenými drážkami pro odvod třísek a pro přívod chladicí kapaliny. Do průchozích otvorů se využívají závitníky s přímou drážkou a do neprůchozích otvorů závitníky s drážkou šroubovitou. Geometrie drážky je pro výkon závitníku klíčovým faktorem – platí to hlavně u drážek šroubovitých, odvádějících třísky směrem nahoru a majících zeslabené jádro – jeho zeslabení má totiž za následek menší stabilitu nástroje a v důsledku toho případné zlomení. O to víc to platí při obrábění houževnatých materiálů, kdy vzniká dlouhá tříska (viz obr. 1).

Obr. 1. Příklad odvodu třísky šroubovicí nástroje. (Zdroj: SHM)

Závitníky, které jsou určeny pro obrábění specifických materiálů (korozivzdorné nebo pevnostní oceli), se dnes vyrábějí převážně z rychlořezných ocelí, často práškových, jejichž jemná struktura je schopna udržet výkon déle než oceli tradiční. Závitníky musí odolat také mnoha mechanismům opotřebení, jako jsou abraze, oxidace, plastická deformace nebo křehký lom. Z důvodu náročnosti aplikace je mnoho nástrojů opatřeno povrchovou úpravou, např. povlaky PVD (physical vapour deposition), zvyšujícími výkon a životnost nástroje. Mezi nejběžnější povlaky pro závitování patří nitrid titanu s případnou přítomností dalších prvků, např. uhlíku nebo hliníku, zajišťujících zvýšenou tvrdost a tepelnou stabilitu. Mnoho nejnovějších povlaků obsahuje též závěrečnou měkkou, kluznou vrstvu ve formě WC/C, která zabraňuje nalepování obráběného materiálu a zároveň pomáhá zajetí nástroje.

Impulz ke spolupráci

Společnost SHM působí na trhu již přes 30 let a v oblasti PVD povlaků pro obráběcí a tvářecí nástroje má rozsáhlé zkušenosti. I z toho důvodu se na nás obrátili zástupci firmy Narex Ždánice, která patří k předním výrobcům závitníků v Evropě. Ve vývojovém oddělení této společnosti probíhal vývoj nové, kompletní řady závitníků určených do korozivzdorných ocelí. Byla inovována geometrie nástrojů, v případě šroubovitých drážek byla vyrobena kompletně nová geometrie 45° drážky. V této souvislosti jsme byli požádáni, abychom pro tuto řadu vysoce výkonných závitníků vyvinuli speciální povlak.

Reklama
Reklama
Reklama

Na rovinu musíme přiznat, že úkol, který se zpočátku jevil jednoduše, hrozil velkým neúspěchem. V první fázi totiž testované standardní povlaky na nově vyvíjených závitnících vůbec neobstály. Docházelo k nalepování i k následnému zalamování. Po posouzení charakteru opotřebení jsme se rozhodli k dalšímu kolu testů, kdy se velmi nadějně projevil povlak TiC/C. Z těchto poznatků jsme usoudili, že bude výhodné přejít k systematickému testování a využít kapacit a přístrojového zázemí v Ústavu strojírenské technologie VUT v Brně. Cílem bylo nalézt vhodné parametry zkoušky pro otestování různých druhů povlaků, ze kterých bychom vybrali nejlepší kandidáty pro závěrečné testování ve zkušebně firmy Narex Ždánice.

Průběh řezných zkoušek

Testování probíhalo při obrábění korozivzdorné oceli 1.4301 (ČSN 17 240), která díky své univerzálnosti patří k často využívaným ocelím a jejíž obrábění představuje výzvu kvůli relativně vysoké houževnatosti. Varianta nastavení zrychleného testu, která byla pro úsporu času a nákladů záměrně ztížena, kombinovala zvýšenou řeznou rychlost 15 m.min−1 s menším průměrem předvrtaného otvoru (5 mm). Tato varianta dosáhla nejlepších výsledků z hlediska sledování rozvoje opotřebení nástroje při řezání závitu M6. Skrze mikroskop byla přímo měřena fazetka opotřebení na hřbetě (viz obr. 2), a to po určitém počtu zhotovených závitů s maximálním počtem 468, což byla hodnota zvolená pro rychlou selekci nově vyvíjených povlaků. Po úspěšném ukončení tohoto zrychleného testu povlak postoupil do „dalšího kola“. Analyzovány byly všechny tři břity zkoumaných závitníků a orientace břitů byla jednoznačně spojena s číselným označením na stopce závitníku. Každý měřený závit byl zároveň kontrolován kalibrem.

Obr. 2. Zkoumaná oblast řezné části závitníku. (Zdroj: SHM)

Z počátečních zkoušek vyplynulo, že povlak musí být velmi hladký a zakončený kluznou vrstvou a že zřejmě bude nutné zvýšit tvrdost a tepelnou stabilitu přidáním hliníku. Testovanými povlaky byly TiC/C, AlTiN-AlTiC/C, AlTiN-WC/C, AlTiN-BN a AlTiN-XO, na nichž jsme chtěli odzkoušet různé závěrečné kluzné vrstvy: na bázi karbidů, hexagonálního nitridu bóru a oxidů. Etalonem byl povlak TiC/C, který při prvních testech ve společnosti Narex Ždánice dosáhl nejlepších výsledků. Ve všech případech jsme využili magnetronového naprašováni, abychom docílili nejnižší drsnosti povlaků.

Reklama

Výsledky řezných zkoušek

Všechny povlaky – až na povlak AlTiN-BN, u kterého přibližně po 100 závitech došlo ke zlomení – dosáhly stanoveného kritéria 468 závitů pro postup do dalšího kola. Přesto byly mezi jednotlivými verzemi vidět rozdíly v opotřebení. V tomto směru nejlépe dopadly povlaky TiC/C a AlTiN-AlTiC/C, jejichž opotřebení nepřesáhlo 0,1 mm. U povlaků AlTiN-WC/C a AlTiN-XO jsme pozorovali vyštípnutí nebo vyšší otěr – viz obr. 3.

Obr. 3. Opotřebení na jednotlivých verzích povlaků. (Zdroj: SHM)

Při nasazení finálních dvou verzí ve zkušebně firmy Narex Ždánice se již projevily odlišnosti ve výkonu. U povlaku TiC/C docházelo po 1 000 závitech k zalepování nástroje a hrozilo jeho zlomení, kdežto povlak AlTiN-AlTiC/C překročil hranici 1 800 závitů bez viditelných potíží. A při opětovném dotestování závitníku s povlakem AlTiN-AlTiC/C (na univerzitě za již standardních řezných podmínek s řeznou rychlosti 5 m.min−1 a s průměrem předvrtaného otvoru 5,1 mm) byla atakována hranice 6 000 závitů.

Nová řada FeniX s povlakem Tigaan Taps

Po počátečních nezdarech a následném vývoji přichází společnost Narex Ždánice s novou řadou vysoce výkonných specializovaných závitníků FeniX, určených do korozivzdorných ocelí (obr. 4), kdy významnou roli hraje povlak s komerčním označením Tigaan Taps. Jeho základem je vrstva AlTiN, připravená magnetronovým naprašováním a vyznačující se vysokou plastickou tvrdostí 40 GPa, nízkou drsností Ra < 0,1 µm a vysokou tepelnou stabilitou do 900 °C. Povlak Tigaan Taps je zakončen měkkou kluznou vrstvou na bázi uhlíku, nezbytnou pro zapracování nástroje v prvních otvorech a pro zabránění tomu, aby se obráběný materiál nalepoval (obr. 5). Povlak Tigaan Taps se na poli závitování řadí mezi unikátní řešení a u konkurenčních výrobců nemá obdoby.

Obr. 4. Nová produktová řada závitníků určených do korozivzdorné oceli. (Zdroj: SHM)

Úspěšného výsledku bylo dosaženo intenzivní spoluprací všech tří partnerů, kteří se podíleli na jednotlivých aspektech vývoje. Firma Narex Ždánice vyvinula geometrii nástroje, firma SHM navrhla testované povlaky a kolegové z univerzity zajistili potřebnou podporu při testování nástrojů. To jen podtrhuje, že pokud jsou znalosti a zkušenosti z průmyslu a z akademické obce efektivně využity, vede to ke zdárnému cíli.

Obr. 5. Kalota povlaku Tigaan Taps. (Zdroj: SHM)
Vydání #9
Kód článku: 250947
Datum: 03. 09. 2025
Rubrika: Produktový článek / Povrchové úpravy
Související články
Nový výkonný a univerzální PVD povlak

Povlak Bigaan byl uveden na trh již v roce 2018 a uplatňuje se hlavně při frézování ozubených kol do převodovek motorů. Letos společnost SHM představuje jeho druhou generaci, která kombinuje velmi tvrdý základ se závěrečnou kluznou vrstvou ve formě hexagonálního nitridu boru. Aplikační testy u zákazníků vykazují minimálně o 50 % lepší užitné vlastnosti v porovnání s běžně užívanými povlaky.

Povlaky ta-C
připravované magnetronovou depozicí

Diamantové vrstvy jsou svatým grálem otěruvzdorných povlaků připravovaných na řezné nástroje. Existuje řada různých technologií přípravy, v principu rozdělených do dvou skupin: je to technologie nízkoteplotní fyzikální a technologie vysokoteplotní chemická. V našem případě se jedná o fyzikální způsob přípravy vrstev obecně nazývaný jako technologie PVD. Technologie PVD se dále dělí na depozici pomocí nízkonapěťového oblouku a depozici pomocí magnetronového naprašování. Obě metody mají své výhody a svá úskalí.

Jiný úhel pohledu aneb galaxie vlastností povlaků

Průmyslové PVD povlaky jsou dnes již technickou normálií. Jsou samozřejmostí nejenom v obrábění a tváření, ale i v mnoha typech komponent. Navzdory tomu zůstává hledání nových aplikací stále velmi komplikované. Přehled základních vlastností a jejich kombinací v různých neobvyklých aplikacích by mohl být inspirací a pomocí konstruktérům a technologům při řešení praktických technických problémů, které jsou zažitými postupy řešitelné velmi obtížně.

Související články
PVD dvojče pro náročné tváření a lisování

Vývoj nového PVD povlaku pro tváření se tentokrát ubíral docela nezvyklou cestou. Nešlo v principu o vývoj nového systému, ale o technologicky poměrně náročnou kombinaci stávajících povlaků s velmi odlišnými vlastnostmi a s odlišným způsobem depozice. Výsledkem je povlak, jehož chování v náročných tvářecích aplikacích příjemně překvapilo i samotné vývojáře. Výkon samostatných vrstev v těchto aplikacích byl nepřesvědčivý, významné navýšení životnosti tvářecích nástrojů však přineslo jejich spárování.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Plzeňské setkání strojařů

Katedra technologie obrábění Fakulty strojní Západočeské univerzity v Plzni letos uspořádala již devátý ročník mezinárodní konference Strojírenská technologie Plzeň. V porovnání s minulým ročníkem zaznamenala podstatně větší návštěvnost – čítala téměř dvě stě účastníků a uskutečnilo se bezmála šedesát prezentací. Náš časopis na konferenci figuroval jako mediální partner akce.

Tak trochu jiný povlak

Vývoj PVD povlaků probíhá v průmyslovém měřítku od 90. let. Standardem pro obrábění a tváření se staly různé technologické a chemické obměny vrstev TiAlN a CrAlN. Zdálo se, že v této oblasti již nelze dosáhnout převratnější změny. Ukazuje se však, že to možné je.

HiPIMS – technologie pro tvorbu odolných povlaků

V dentální chirurgii používaný amalgám vynalezli kolem roku 1370 Arabové a po staletí ovládli umění účinně vyspravovat zubní dutiny. Smíchaná pasta stříbra a rtuti dobře vyplňovala zub a ztuhla do potřebného tvaru, během tuhnutí nabývala na objemu, a bránila tak průniku bakterií. Podobné principy vyplnění různých materiálových vrubů jsou vysoce ceněny i dnes, protože tyto ostré vruby bývají nukleačním místem řady trhlin a koroze, a v případě tahové napjatosti vedou k rozevření boků trhlin a lomovému porušení namáhaných dílců.

Z garáže až na vrchol v PVD technologii povlakování

Pavel Holubář je ředitelem průmyslové společnosti SHM. Tato zkratka značí Super Hard Materials, a to je přesně to, o co tu jde. Zjednodušeně řečeno jde principiálně o fyzikální metody nanášení tenkých vrstev na nástroje, kdy nanesená několikamikronová vrstva dává materiálu zcela jiné mechanické vlastnosti. Především podstatně prodlužuje jeho životnost. Jaká byla 25 let trvající cesta až na samotný vrchol, kdy technologie firmy SHM jsou v současné době rozesety ve 35 zemích světa? O tom – a nejen o tom – jsme si s Pavlem Holubářem povídali.

Vysokoteplotní kluzné vrstvy vanadu

Intenzifikace řezných procesů zvyšuje teplotu řezů. S tím souvisejí mimo jiné zvýšené nároky na tepelnou stabilitu použitých otěruvzdorných povlaků. Možným řešením je vývoj PVD povlaků s funkcí vysokoteplotních lubrikantů, které jsou schopny snížením koeficientů tření řezné teploty snižovat. K jedněm ze slibných a již studovaným systémům patří PVD vrstvy s přídavkem vanadu, které za vysokých teplot tvoří Magnéliho oxidické fáze se zmíněnou schopností. Velkým problémem je však trvanlivost těchto fází při mechanickém namáhání v průběhu obrábění. Příspěvek je věnován některým praktickým aspektům přípravy PVD vrstev CrVN a jejich vlastnostem.

Přesné měření tloušťky povlaků

Pro optimalizaci vlastností povrchových povlaků a filmů ve výzkumu, vývoji i průmyslové výrobě je důležitá přesná kontrola jejich tloušťky a rovnoměrnosti rozložení. Metrologická metoda CCI představuje mimořádnou přesnost měření pro široký rozsah tlouštěk povlaků.

Jarní setkání strojařů v Plzni

Více než 30 vystavovatelů, téměř 50 řečníků, tři výstavní haly a jeden nezapomenutelný strojírenský zážitek. Akce Strojírenská inspirace 2024 se konala v Plzni od 4. do 6. června 2024 a zaměřila se na digitální výrobu, automatizaci a inovace ve strojírenství. Letos poprvé se toto setkání uskutečnilo v areálu Depo2015, který se stal centrem pro sdílení zkušeností a nápadů mezi odborníky z průmyslu a digitalizace.

Odlehčovací optimalizace 3D tištěné frézy

Vývoj v oboru obrábění se tradičně potýká s mimořádným dynamickým zatížením soustavy na straně jedné a požadavky na přesnost a produktivitu obrábění na straně druhé. Nalezení takové konstrukce nástroje, která odolá extrémním provozním podmínkám, a přitom umožní proces obrábění urychlit, může vést k zefektivnění výrobního procesu. Příkladem toho může být vývoj odlehčené frézovací hlavy. Dosavadní konstrukce obráběcích nástrojů vycházely z jednolitých plných tvarů zaručujících vysokou tuhost na úkor dynamických vlastností nástroje. Změnou vnitřní struktury je však možné najít optimum mezi těmito protichůdnými požadavky.

Od konstrukce strojů po parkovací věže

Mezi starší generací strojařů pravděpodobně není nikoho, kdo by neznal původem škodováka Josefa Bernarda z Jičína. Tento strojírenský nadšenec příští rok oslaví své sedmdesátiny. Před třiceti lety po odchodu z místního Agrostroje položil základy společnosti Vapos, která dává perspektivní práci patnácti desítkám lidí z Jičína a blízkého okolí.

Pod dvou letech opět na EMO do Hannoveru

Od 16. do 21. září 2019 se uskuteční 22. ročník největšího světového veletrhu zpracování kovů EMO. Megaakce se koná opět v Německu, které je po Číně a USA třetím největším trhem obráběcích strojů na světě. Veletrhu se účastní téměř 2 100 vystavovatelů ze 47 zemí světa. Z České republiky se očekává účast 28 firem na ploše necelých 1 700 m2. Na minulý veletrh v roce 2017 přijelo do Hannoveru z České republiky přes 2 200 odborníků.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit