Monolitní keramické frézovací nástroje

Technický pokrok a plynulý další vývoj znalostí o materiálech umožnil trvalý růst výkonnosti vysoce namáhaných strojních součástí. Konsekventní použití niklových slitin vedlo k postupnému zvyšování celkové účinnosti plynových turbín. Monokrystalické turbínové lopatky z niklových slitin, vyrobené s kompletním systémem chladicích kanálků a opatřené keramickou tepelněizolační vrstvou, pracují při teplotě až 1 450 °C. Tyto vynikající tepelné a mechanické vlastnosti však kladou vysoké nároky na obrábění řeznými nástroji. Na výrobu jedné plynové turbíny (tryskového motoru) je potřeba asi 3 000 vyměnitelných břitových destiček, zatímco na výrobu automobilu se spotřebují průměrně dvě vyměnitelné břitové destičky.

Řezná keramika umožňuje použít vyšší řezné rychlost

Vysoká pevnost za tepla ve spojení s malou tepelnou vodivostí niklových slitin vede k vysokým teplotám na čele břitu nástroje, což zapříčiní ztrátu tvrdosti řezného materiálu břitu. Za společného působení s abrazivními karbidy obsaženými v mikrostruktuře materiálu dojde v důsledku termochemického přetížení břitu k selhání nástroje. Nástroje ze slinutého karbidu opatřené vhodným povlakem je možné použít při řezné rychlosti maximálně 20 m.min^-1, má-li být zajištěno bezpečné obrábění. Provedené výzkumy ukázaly, že při použití nástrojů s břity z řezné keramiky lze řeznou rychlost zvýšit na 30 až 50 m.min^-1. Velikost řezné rychlosti závisí na změně pevnosti keramiky za tepla. Využití vysoké řezné rychlosti zvýší teplotu obrábění tak, že materiál obrobku změkne a lze ho snadněji obrábět. Pak lze konstatovat, že se pohybujeme v oblasti vysokorychlostního obrábění (obrábění HSC). Frézovací nástroje osazené vyměnitelnými břitovými destičkami z řezné keramiky jsou již na trhu běžně nabízeny a používají se např. pro hrubování lopatek plynových turbín. Minimální průměr těchto fréz je limitován velikostí nejmenší existující vyměnitelné břitové destičky. Nejmenší dnes komerčně dodávaný nástroj má průměr 32 mm. Pro úkoly obrábění, kde je nutné použít menší průměr frézy, se používají kromě nástrojů ze slinutých karbidů a nástrojů z rychlořezné oceli také technologie broušení a elektroerozivní obrábění (EDM).

Fraunhofer Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik (IPK) v Berlíně měl za úkol vyřešit využití výkonnosti moderních keramických řezných materiálů při výrobě plynových turbín. První prototyp frézovacích nástrojů z řezné keramiky byl vyroben v rámci projektu „Cercut" již v roce 2006 ve Fraunhofer Allianz Hochleistungskeramik. Tyto prototypy byly úspěšně odzkoušeny v příslušných oblastech použití. Vzhledem k pozitivní odezvě výrobců nástrojů a uživatelů bylo rozhodnuto pokračovat ve výzkumu.

Vývoj monolitních keramických nástrojů je žádoucí

V roce 2008 byl zahájen INNO-Net projekt „Technologie výroby monolitních keramických stopkových nástrojů (Tech-Volk)". Od té doby se intenzivně pracuje na vývoji konstrukce monolitních keramických frézovacích nástrojů a na stanovení optimální geometrie břitu. Na řešení projektu se podílí různé instituce a jejich kompetence jsou rozděleny tak, aby byla zajištěna důsledná kontrola průběhu řešení projektu. Náplní projektu je kompletní řešení úkolu, od výroby keramických polotovarů přes jejich přeměnu v řezný nástroj pomocí vhodných brousicích kotoučů a technologií až po nasazení nástroje na moderním HSC obráběcím centru při výrobě konkrétní součástky. Spektrum obráběných materiálů zahrnuje jak niklové slitiny jako Nimonic 90, tak také nově vyvinuté odlévané slitiny, jako je MAR M247.

Aby nástroj odolával komplexnímu stavu zatížení při HSC frézování, musí řezný materiál vyhovět určitým požadavkům. Frézování je proces charakterizovaný přerušovaným řezem, čímž dochází k značnému mechanickému dynamickému zatížení břitu a ke kolísání jeho teplotního zatížení. V časovém úseku, kdy břit není v záběru, ochlazují se vnější plochy nástroje více než jádro. Tím dochází k různému roztažení vnějších ploch oproti jádru. Na okrajích vznikne tahové napětí, které vede ke vzniku trhlinek. Keramika vykazuje zvýšenou citlivost na tahová napětí, a je proto náchylná na vznik trhlinek. Obrábění za sucha je pro tento řezný materiál naprostou nutností, chlazení břitu vede ke zvýšení rozdílu teplot, kdy je břit v záběru a kdy je mimo záběr. Materiály Al₂O₃ a SiAlON plněné siliciumkarbidovými whiskery mají z důvodu svého složení a struktury vlastnosti, které brání šíření trhlin a jsou odolnější proti zlomení nástroje. Ve formě vyměnitelných břitových destiček jsou oba druhy těchto řezných materiálů již komerčně nabízeny na trhu a v praxi se osvědčily.

Slibný vývoj vykazuje výroba tzv. gradované keramiky, u které jsou dalším cíleným zpracováním měněny její pevnostní vlastnosti. Tak může být vytvořena - podobně jako u oceli při kalení - vnější plocha nástroje odolná proti opotřebení a jádro zůstane houževnaté.

Vývoji monolitních keramických nástrojů předcházela podrobná analýza vlastností a oblastí použití vyměnitelných břitových destiček z řezné keramiky. Provedené experimenty byly vyhodnocovány zejména z hlediska charakteru opotřebení břitu. Na základě měření řezných sil a při použití simulace procesu metodou konečných prvků bylo možné provést detailní analýzu tvaru nástroje. Praktické výsledky z experimentů a početně stanovené oblasti namáhání nástroje se účelně doplnily. Tento postup řešení umožnil stanovit systém zatížení nástroje, který je nepříznivý z hlediska specifických pevnostních charakteristik keramiky. Výzkum byl zaměřen rovněž na vliv geometrie na chování nástroje při vibracích. Sledováním vlivu konstrukce nástroje a procesu obrábění bylo minimalizováno opotřebení břitu nástroje a zvýšena jeho trvanlivost. Rovněž byla zlepšena kvalita obrobeného povrchu. Pro pracovníky výzkumného centra byla rovněž rozhodující možnost vyrobit nástroj s vysokou přesností na jedné nástrojařské brusce, proměřit ho na měřicím přístroji a vyzkoušet na obráběcím centru. Tím bylo dosaženo krátkého vývojového cyklu a rovněž byl pochopen proces obrábění keramickými nástroji.

Bezpečně obrábět řeznými rychlostmi až 600 m.min^-1

Současné vyvinuté frézovací nástroje mají průměr 4 a 8 mm. V rámci řešení byla vyvinuta geometrie břitu pro čelní i obvodové frézování. Vyrobeny a odzkoušeny byly „filigránské" nástroje s  až 10 zuby, vycházející z dvoubřité geometrie. Nástroje pracovaly bezpečně při řezné rychlosti až 600 m.min^-1 a při posuvu až 10 000 mm.min^-1. S cílem ocenit výkonnost nástrojů z keramiky z hlediska hospodárnosti byly provedeny srovnávací experimenty s běžně dostupnými nástroji ze slinutého karbidu, povlakovanými i bez povlaku. Pokusy byly provedeny při frézování drážek nástroji o průměru 4 mm. Hodnoticím kritériem byla obrobená dráha a čas potřebný na její ujetí. Výsledky pokusů ukázaly, že použitím monolitních nástrojů z řezné keramiky se dosáhne osminásobného zvýšení produktivity obrábění (viz obr. 2). Pro výsledek je rozhodující uspořádání procesu obrábění. Z pokusů je rovněž zřejmé, že výkonový potenciál monolitních keramických fréz ještě není zdaleka vyčerpán.

Vysoká teplota obrábění vyvolává ulpívání obráběného materiálu na břitu nástroje a na obrobku (viz obr. 3). Kromě materiálu obrobku a řezných podmínek zde hraje důležitou roli také materiál břitu nástroje. V současné době je tento jev (tvorba nárůstku) podrobně studován. Dalším studovaným faktorem je vliv broušení a ostření nástroje, což ovlivňuje kvalitu ploch břitu nástroje a ostrost hran. V budoucnu budou nástroje leštěny a hrany elektrolyticky zaobleny. Tak se dosáhne sladění přechodu hran (ostří) a topografie povrchu ploch nástroje. Další řešení je zaměřeno vedle průběžného zkvalitňování vlastností nástroje na jejich použití v praxi při obrábění konkrétních součástí.

Eckart Ullmann, Manuel Wacinski

Zdroj: MM MaschinenMarkt Das Industriemagazin, No. 51/2009

Zpracoval -vř-