Nastavení vlastností povlaků na tvářecím nástroji

Velmi slibnou možností zvýšení odolnosti proti opotřebení tvářecích nástrojů je nanesení tvrdých vrstev pomocí tepelných metod povlakování. Pro nanesení povlaku wolframkarbid-kobalt (WC-Co) na základní ocelové těleso se ukázala jako vhodná zejména metoda vysokorychlostního žárového stříkání (HVOF). Tvářecí nástroje však nelze z důvodu relativně drsného povrchu po nanesení povlaku použít přímo, ale je nutné tento povlak ještě dodatečně obrobit.

Jako vhodné dokončovací obrábění se ukázalo broušení a válečkování. V tomto článku jsou popsány třecí vlastnosti povlaků WC-Co, které byly získány zkouškou protahování plechu mezi vzorky – zkouška DP600.

Zkoumané třecí vzorky byly broušeny nebo válečkovány různými pracovními pa-rametry, přičemž byly použity jednotlivé i kombinované podmínky. Jako etalon byl zvolen broušený vzorek z nástrojové oceli C60 bez povlaku. Topografie a drsnost opracovaných vzorků se zjišťovaly pomocí konfokálního mikroskopu. Broušení po-vlakovaných zkušebních vzorků se provádělo pomocí válcového brousicího tělíska na frézovacím obráběcím centru firmy Deckel Maho DMU 50 evolution (obr. 2). Z důvodu vysoké tvrdosti povlaku wolframkarbid-kobalt byl jako brusivo použit dia-mant o zrnitosti 126 µm. Jako záložní byl použit samostatný orovnávací nástroj s SiC brousicím kotoučem integrovaným do obráběcího stroje. Parametrem orovnávání byl přísuv 2 µm na přeběh, při celkovém přísuvu 20 µm.

Obr. 2. Konstrukce zkušebního zařízení pro broušení tvrdých povlaků s  brousicím tělískem na obráběcím centru. Pracovní parametry: řezná rychlost vc = 10 m.s^-1, posuv vf = 200 mm.min^-1, přísuv ae = 10 µm, vzdálenost řádků ap = 2,1 mm.

Jako druhý způsob dokončovacího obrábění bylo použito válečkování (obr. 3). Oproti broušení zde nedochází k žádnému úběru materiálu, ale profily drsnosti po-vrchu nástroje jsou v důsledku vysokého místního tlaku zarovnávány. Konstantním hydrostatickým pracovním tlakem jsou zde keramické kuličky tlačeny na plochu ob-robku. Hydrostatický hladicí válcovací nástroj je upevněn v obráběcím centru.

Obr. 3. Princip válečkovacího nástroje a jeho způsob působení. Pracovní parametry: průměr kuličky dk = 13 mm, vzdálenost stop a = 0,1 mm, posuv vR = 3 000 mm.min-1, tlak pR = 5 až 15 MPa.

Koeficient tření, který je velmi významný pro proces tváření, byl zjišťován zkouškou protahování plechu mezi vzorky (obr. 4). Na zkušebním zařízení byl mezi dvěma zkušebními vzorky (40 x 50 mm) protahován konstantní rychlostí vysoce pev-ný ocelový pásek DP600 (42 x 280 x 1 mm). Jako mazací prostředí byl použit olej pro hluboké tažení typ Illoform PN26 viskozity 66 mm2.s^-1. Podle Coulombova třecího zákona µ = Fd/2.Fn je možné vypočítat součinitel tření µ. Vzniklá tažná síla Fd byla zjišťována pomocí normálové síly Fn, respektive pomocí normálového tlaku pn = Fn/An (2 a 10 MPa), se kterým byly zkušební vzorky přitlačovány k sobě, rychlost ta-žení plechu byla vd = 10 a 100 mm.s^-1.

Pro výzkum vlivu dokončovacího opracování broušením a válečkováním bylo použito sedm párů zkušebních vzorků. Kromě referenčního broušeného vzorku zho-toveného z nástrojové oceli C60 a jednoho vzorku s nebroušeným povlakem, byly ostatní zkoušky provedeny protahováním zkušebního plechu ve směru, i kolmo ke směru broušení, při tlacích 5 a 15 MPa. Dodatečně byl proveden kombinovaný výrobní postup a válečkován byl jeden broušený zkušební vzorek tlakem 5 MPa. Z hlediska statistického rozptylu byly vždy provedeny tři pokusy při stejných podmínkách. Hodnocení topografie povrchu protahovaného plechu a zkušebních vzorků se provádělo konfokálním mikroskopem před zkouškou i po ní. Měřený úsek činil 4,8 mm a mezní vlnová délka světla 0,8 mm.

Povrch neopracovávaného povlakovaného zkušebního vzorku měl výchozí drsnost Rz = 10,8 µm, na protahovaném plechu byly jasně viditelné rysky. Tím se prokázalo povlakování, které není následně obrobeno, jako nevhodné pro zvýšení odol-nosti tvářecích nástrojů proti opotřebení. Zjištění reprezentativního koeficientu tření bylo vzhledem k silně nerovnoměrnému nosnému profilu zkušebních vzorků použi-elné pouze informačně, protože efektivní kontaktní plocha nemůže být během poku-su přesně definována (µ ≈ 0,23).

Válečkováním zkušebních vzorků lze srovnat špičky profilu povrchu povlaku a snadno zlepšit jeho drsnost. Při tlaku válečkování 5 MPa se sníží drsnost povrchu povlaku na Rz = 9,7 µm a při tlaku 15 µm na Rz = 7,8 µm. Analogicky se zvýšením tlaku válečkování se sníží koeficient tření µ z 0,15 na 0,13. Odchylka rovinnosti povlakovaných ploch se válečkováním podstatně nezlepší. Rovinnost povlakovaných ploch závisí především na kvalitě povrchu před povlakováním. Odchylky rovinnosti jsou zřejmé z nerovnoměrnosti nosného profilu třecích ploch zkušebních vzorků.

Broušením je možné redukovat drsnost na Rz = 7,3 µm. Oproti válečkování nejsou broušením pouze srovnány špičky profilu drsnosti, ale je také odstraněna chyba tvaru způsobená procesem povlakování. Broušené zkušební vzorky nezanechaly po zkoušce tažením na plochách plechu žádné rýhy. Při kombinaci broušení a válečko-vání se drsnost povrchu sníží na Rz = 6,4 µm.

Zkouškami byl prokázán vliv směru broušení na drsnost povrchu zkušebního plechu. Při broušení zkušebních vzorků ve směru tahu plechu je koeficient tření (µ ≈ 0,15) vyšší než při broušení kolmo ke směru tahu plechu (µ ≈ 0,1). Tento efekt lze vysvětlit působením hydrostatického vztlaku použitého oleje, protože olej pro hluboké tažení není přímo odváděn plechem z kontaktní oblasti podél směru broušení. Zkušební vzorky broušené kolmo k pohybu tažení zkušebního plechu vykazují podobný výsledek jako broušený vzorek z nástrojové oceli C60, u kterého byla zjištěna drsnost Rz = 5,2 µm a koeficient tření µ ≈ 0,1. Obecně vykazovaly všechny zkoušené vzorky závislost na rychlosti tažení plechu, přičemž při vyšší rychlosti koeficient tření klesá. Toto chování je způsobeno hydrodynamickým efektem v oblasti styku.

Pokusy ukázaly, že použití neopracovaného povrchu povlaku HVOF na nástroji způsobuje poškození ploch protahovaného plechu. Mechanickým opracováním otě-ruvzdorného povlaku je možné významně snížit koeficient tření. Avšak u povlaků opracovaných válečkováním závisí koeficient tření na kvalitě výchozího povrchu před povlakováním, protože vlivem technologie povlakování je negativně ovlivněna rovin-nost povrchu. Rozdíly tloušťky vrstvy povlaku, které se v provedených pokusech pro-jevily v nerovnoměrnosti nosného profilu, není možné následným válečkováním kompenzovat.

Naproti tomu vykazují broušené zkušební vzorky nejlepší výsledky, neboť do-chází k úběru materiálu a to zaručuje rovnoměrný nosný profil.

Další zlepšení koeficientu tření lze dosáhnout následným válečkováním brouše-ného povlaku ve směru tažení plechu. Přitom byly zjištěny srovnatelné hodnoty tření k referenčnímu procesu u vzorku z nástrojové oceli C60. V kombinaci s vyšší odol-ností proti opotřebování tvrdých povlaků je možné dosáhnout vyšší trvanlivosti tvářecích nástrojů.

Obr. 6. Porovnání zjištěných koeficientů tření pro různě opracované povlakované zkušební vzorky: (1) neopracovaný, (2) válečkovaný (5 MPa), (3) válečkovaný (15 MPa), (4) broušený ve směru tažení plechu, (5) broušený a válečkovaný (5 MPa), (6) broušený kolmo ke směru tažení plechu, (7) broušený referenční vzorek z C60.

Předmětem aktuálního výzkumu je aplikovat výsledky z provedených pokusů do praktického procesu tváření – asi v podobě kalíškové zkoušky hlubokotažnosti s do-datečně obrobenými a povlakovanými nástroji. Pozornost výzkumu je zaměřena na využití různých druhů povlaků na nástrojích, jakož i na kvalitu povrchu vyrobených kalíšků.

Drik Biermann, Erman Tekkaya, Sascha Rausch a Volker Franzen

Zdroj: MM Das Industriemagazin č. 36, 2012

Zpracoval: - VŘ -

dana.benesova@mmspektrum.com