Konkurenceschopná výroba začíná kvalitním řezným nástrojem

Je pozoruhodné, že přestože jsou všechny činitele řezného procesu známé, jejich výzkum se nezastavil, ba naopak se neustále evolučně rozvíjí a navzájem stimuluje. To činí třískové obrábění zajímavým a přitažlivým prakticky již od doby paleolitu. Naopak nové technické materiály, díky nimž jsou součásti lehčí, pevnější a odolnější, přímo volají po vývoji nástrojů pro jejich opracování, neboť vedle odolávání provozním podmínkám vzdorují i obrábění (obr. 1).

Úspěšná aplikace řezného nástroje závisí na spolehlivé aplikaci celého technologického řetězce, který tvoří zejména materiál řezné části nástroje, makrogeometrie a mikrogeometrie břitu, jeho rektifikace (zaoblení, sražení hrany), druh povlaku a kvalita povlakování řezného nástroje, upínač nástroje, resp. těleso držáku (statické, dynamické), sám obráběcí stroj (výkon, otáčkové a posuvové rozsahy, stabilita vřeteníku nebo jiných celků stroje), jeho amortizace, prostředí procesu obrábění (chlazení, mazání atd.), upínací systém obrobku, jeho tuhost a stabilita, posloupnost obráběcích operací, optimalizace přídavků a řezných podmínek, způsob uskladnění nástrojů, jejich případná konzervace a v neposlední řadě znalosti, zkušenosti a odbornost obráběče ‒ lidský faktor.

Pokud nedojde k hrubé chybě a lomu nástroje již při jeho prvním záběru, pak na břit nástroje působí základní složky napjatosti a jejich kombinované účinky. Normálná napětí vystavují nástroj obecně tlaku, tahu nebo ohybu, ale také oddělují fáze nebo částice materiálu na mezifázovém rozhraní, často způsobená odstředivým zrychlením rotujících nástrojů nebo setrvačnými silami při vysokorychlostním obrábění. Smyková napětí vystavují nástroj tečným složkám obecného napětí, aktivují skluzové systémy při plastických deformacích, resp. určují tribologii rozhraní kontaktních povrchů. Teplotní zatížení, často velmi gradientní, ovlivňují celkovou napjatost zatížené oblasti.

Na rozdíl od klasické mechaniky těles nelze počítat tuto napjatost jako homogenní nebo rovnoměrnou, ale naopak velmi lokální, gradientní a v oblasti vysokých deformačních rychlostí. Vztahy mezi napětími a deformacemi zde nejsou lineární, nelze použít princip superpozice. Rozvoj porušení nástrojů při reálném namáhání probíhá lokálně, dochází k materiálové dezintegraci v malé oblasti ostří, což někdy připomíná trhání skal objemovou změnou skupenství vody v led s podobným účinkem působení alotropických podpovrchových fází u řezných materiálů (lze to pozorovat při rozpadu zbytkového austenitu u HSS). Vhodné rektifikace břitu způsobují jeho zpevnění, ale i vyšší stabilitu vyráběných rozměrů, neboť odstraňují záběhovou část křivky opotřebení (obr. 2).

Z fyzikálního pohledu jde při obrábění o interakci materiálů v mezním stavu napjatosti materiálu obráběného, při němž dochází k porušení materiálu a úběru ve formě třísky. Dochází k extrémnímu namáhání čela nástroje vznikající a odcházející třískou a dalšímu tváření obrobeného povrchu zaoblenou částí břitu, která ovlivňuje kvalitu jeho opracování, jeho zpevnění, resp. celkovou integritu. Ačkoliv doposud není zcela přesně objasněn mechanismus vzniku jednotlivých složek sil při tomto mechanismu, je jisté, že téměř veškerá práce potřebná na úběr třísky konvertuje v teplo. To nám částečně zvyšuje teplotní namáhání obrobku, ale zejména nástroje, pomineme-li odvod tepla třískou a řezným prostředím. Teplota – jako stavová veličina – pak působí často jako akcelerátor všech mechanismů opotřebení takovou měrou, že ani aplikace kryogenního obrábění hluboko pod bodem mrazu nepomáhá výrazně ke zlepšení obrobitelnosti materiálu nebo prodloužení trvanlivosti ostří u některých materiálů, zejména leteckých. Tyto účinky se pak projeví v několika specifických mechanismech opotřebení a porušení nebo v jejich kombinacích.

Jedním z těchto mechanismů je např. abraze nástroje, tzn. otěr způsobený tvrdými nebo zpevněnými mikroskopickými fázemi v obráběném materiálu nebo uvolněných či vylomených z břitu nástroje, s různým podílem plastické deformace a lomového porušení. Dále adheze částic obráběného materiálu neboli tvorba mikrosvarů, nárůstků a jejich odtrhávání i s částicemi břitu nástroje, nebo např. difuze materiálů na rozhraní tříska-nástroj a tvorba teplotních trhlin v důsledku střídání teplot řezu a okolí, s napjatostí ovlivněnou i teplotní roztažitelností různých fází vrstveného řezného materiálu. Může docházet i k oxidaci materiálů, zejména korozi, plastické deformaci, hlavně v důsledku teplotního odpevnění materiálu, delaminaci materiálů, především povlaků, únavě materiálu zakončené lomem nebo k dalším specifickým mechanismům a poruchám – například ve formě odprýsknutí částice čelní nebo hřbetní plochy doprovázeného tvorbou lasturového lomu.

S výjimkou zejména difuze tyto mechanismy vedou ke vzniku lomu, tzn. oddělení větší či menší částice z břitu, houževnatým či křehkým módem porušení, a to transkrystalicky, interkrystalicky nebo smíšeně. Intenzita těchto mechanismů opotřebení záleží na působícím měrném zatížení, které je dáno působícími silami a geometrií stykových ploch, na působících rychlostech (řezné rychlosti, rychlosti posuvu) a na vnějších podmínkách obrábění (řezném prostředí, vytvořeném teplotním poli).

Tyto účinky se pak projeví v několika formách opotřebení a porušení břitů, které se rozvíjejí časově kontinuálně (hřbetní fazeta opotřebení, čelní kráter – žlábek), což je účelově žádané a technologicky dosažitelné, nebo diskontinuálně ‒ zpravidla pomocí řady lomových mechanismů. Sem patří delaminace povlaku, vylamování částic břitů při vibracích soustavy stroj-nástroj-obrobek, účinek změny napjatosti a ztráty efektivní geometrie hřbetu při upichování nebo čelním frézování, nekontrolované fázi šíření teplotních trhlin po abrazivní ztrátě tvrdého povlaku působícího jako tepelný štít (obr. 3) atd.

Tato nápravná opatření jsou snadná, pokud odrážejí hlavní příčinu mechanismu poškození nástroje, ale to není jednoduché určit. Opotřebení nástrojů je přirozený jev a důsledek odebírání materiálu ve formě třísek, nelze mu zcela zabránit. Lze však optimalizovat intenzitu rozvoje opotřebení a mezní stav použití nástrojů. Ne vždy je vyřazení nástrojů nebo vyměnitelných destiček dáno jejich plným využitím. Někdy vede například přehnaná snaha co nejdelšího zachování destičky v řezu k lomu velké části destičky a znehodnocení zbývajících nepoužitých břitů. Názor, že destičku je možné opotřebit v plné tloušťce až po podložku, také není ojedinělý a je doslova varovný, ale v mnoha případech nelze zvláště od rekvalifikovaných operátorů strojů očekávat žádné zázraky. Podobně je tomu u vybrušovaných nástrojů, které se nadměrným opotřebením zcela vyřadí, přičemž při vhodné hodnotě opotřebení lze nástroj mnohokráte přebrousit, čímž se redukují výrobní náklady.

Obr. 4. Časový průběh řezných momentů při řezání průchozích závitů povlakovaným maticovým závitníkem ze slinutých karbidů – po dlouhé době relativně stabilního obrábění došlo k lomu nástroje. Pro zvětšení klikněte na obrázek.

Nejsložitější situace je u povlakovaných nástrojů, neboť tyto nástroje doslova svádějí k rekordním výkonům, ale odhadnutí okamžiku ztráty povlaku je bez předchozích testů a použití výzkumné techniky prakticky nemožné (obr. 4). Běžné optické pomůcky toto nemohou vzhledem k mikrometrickým tloušťkám nanášených vrstev vůbec řešit, navíc břity bývají pokryty částicemi obráběného materiálu a vytvářejí tak dojem lesklých fazet opotřebení. Po jejich odleptání se však často ukáže již vyřazený břit jako prakticky nepoškozený. V takovýchto případech je nutno vždy dbát na doporučení výrobců povlaků, pokud tyto testy zodpovědně provádějí.

Výsledky této publikace byly získány za finančního přispění NETME Centre Plus (LO1202) Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy v rámci účelové podpory programu „Národní program udržitelnosti I“.

Prof. Ing. Miroslav Píška, CSc.

FSI VUT v Brně

Ústav strojírenské technologie

piska@fme.vutbr.cz