Nejdůležitější oblast nástroje - ostří

Je definována jako odraz podmínek, za kterých funkční plocha vzniká. V integritě povrchu je komplexně obsažena celá řada faktorů, které zahrnují důsledky působení technologických metod uplatněných při jeho zhotovení (krystalizace, broušení, tepelné procesy, …) a ty dává do vztahu k projevům chování, které se zjišťují laboratorními analýzami nebo se projevují užitnými vlastnostmi v praxi. I přes poměrně dlouhé období vývoje zatím neexistuje způsob, kterým lze stav povrchu standardně charakterizovat. Řada údajů o obrobené ploše se sice již běžně zjišťuje, pro jiné jsou zpracovány postupy a navrhována potřebná analyzující zařízení, ale stále chybí komplexní souvislosti. Největším problémem se ukazuje chybějící kvantifikace, která by byla vyjádřena jednou číselnou hodnotou použitelnou na více pracovištích. V praxi stále převažuje názor, že zatím nejspolehlivější zkouškou integrity je vlastní provoz. S tímto přístupem nelze souhlasit, neboť komplexní přístup dovoluje zachytit podstatu problému, který se v praxi projevuje jako důsledek něčeho neznámého.

Stavu řezné hrany byla dříve věnována pozornost pouze ve vazbě s použitou tenkou vrstvou. Když nástroje nebyly deponovány, nebyla „mikrostavu“ věnována žádná pozornost. Bylo to zapříčiněno jednak tím, že výrobci nástrojů nedisponovali potřebným přístrojovým vybavením (do roku 2005 se jednalo pouze o možnost využití řádkovacího elektronového mikroskopu), a jednak se nedomnívali, že by u nástrojů z rychlořezných ocelí byl problém s mikrogeometrií nástroje. Svoji pozornost soustředili pouze na to, jestli v případě depozice tenké vrstvy je tato vrstva i na řezné hraně nebo zda nevytváří tzv. kapénkový tvar (vyšší rychlost depozice na řezné hraně oproti ostatním plochám). Pozornost se ještě věnovala mikročásticím na povrchu, které byly donedávna charakteristické pro PVD depozici obloukového napařování (obr. 1). Stav řezné hrany nebyl ani důsledně posuzován, nebyly hledány důvody, proč není opatřen tenkou vrstvou či proč se zde nacházejí defekty vyplývající ze základního materiálu. Další snímek na obr. 1 dokumentuje poškození břitu nástroje ze slinutého karbidu v důsledku jeho broušení.

Na konci devadesátých let minulého století se zjistilo, že broušený celokarbidový nástroj nedosahuje na řezné hraně optimálního stavu. Následoval vývoj různých procesů, které by vedly ke zlepšení tohoto stavu. Jako první se začalo aplikovat kartáčování. Jeho výhodou byla jednoduchost, kdy nebylo potřeba žádné speciální přístrojové vybavení. Od metody kartáčování se plynule přešlo k otryskávání. Byla zkoušena různá tryskací média, přičemž největšího úspěchu z hlediska adheze tenké vrstvy bylo dosaženo v případě použití korundu. Tento proces byl v jednom okamžiku upozaděn další technologií – vlečným omíláním, které bylo vyvinuto společností OTEC Präzisionsfinish GmbH a od roku 2005 se u předních výrobců nástrojů aplikuje i v České republice. V současné době se otryskávání opět vrátilo do výroby, a to nejen u nástrojů ze slinutých karbidů, ale i z rychlořezných ocelí. Pro otryskávání se používá jak suché, tak i mokré médium korundu. Výhodou otryskaných nástrojů je nižší drsnost ve šroubovici (omílání nástrojů nedovoluje tak efektivní snížení drsnosti v této oblasti nástroje). Další výhodou tryskání je možnost dosáhnout cílených změn v různých oblastech nástroje. Mezi přínosy otryskání patří také odstranění nečistot, které by v případě jejich přítomnosti zhoršovaly adhezi následně deponované vrstvy.

a) b)
Obr. 1. Stav nástroje – první snímek (a) dokumentuje makročástice vrstvy TiAlN na povrchu, druhý snímek (b) zachycuje stav řezné hrany po broušení (před depozicí tenké vrstvy). Snímky byly pořízeny na řádkovacím elektronovém mikroskopu.

Ze získaných akademických i aplikačních poznatků vyplývá, že úpravě mikrogeometrie nástroje je třeba věnovat patřičnou pozornost. Bohužel ještě tento proces není ani v současné době dostatečně sledován z pohledu integrity povrchu řezné hrany. Pro toto označení chybí hlubší studium souvislostí, které s sebou tento pojem přináší. Prozatím je průmyslová aplikace na úrovni toho, že sleduje stav řezné hrany, ale chybí poznatek o vlivu jednotlivých procesů a jejich vzájemné souvislosti.

Pro pochopení procesů, které mají za následek změnu řezné hrany, ať z pozitivního nebo i negativního hlediska, je nutné použít správně analyzující techniky. Jejich cílem je s dostatečnou přesností zachytit nejen stav, ale i jeho příčiny.

Základní dokumentace řezné hrany lze provádět speciálním světelným mikroskopem, který disponuje zvýšenou hloubkou ostrosti. Tento mikroskop je vhodný pouze pro běžnou kontrolu stavu břitu. Cílem je rychlé prohlédnutí břitu a zjištění poškození většího rozsahu (nad 50 µm). Dalším zobrazovacím mikroskopem je řádkovací elektronový mikroskop. Jeho předností je, že ze snímků jsou patrny i další děje, které u nástroje nastaly, např. poškození vrstvy, uchycení nečistoty, vznik mikrotrhliny. Na druhou stranu jeho nevýhodou je, že nedovoluje provést měření zaoblení hrany a měření drsnosti. Rovněž časová náročnost dokumentace nástroje je pro každodenní kontrolu nevyhovující. Pro každodenní kontrolu a měření úhlů a případně i drsností se používají jiné měřicí přístroje. V roce 2005 se na trhu objevil laserový skenovací konfokální mikroskop. Tehdy byl na trhu pouze konfokální mikroskop od firmy Olympus s označením Lext OLS 3000. Jednalo se o první přístroj, který dovolil v dostatečném zvětšení zdokumentovat stav nástroje ve 3D rozměru s tím, že bylo možné provést potřebná měření, a to jak opotřebení a jiných defektů břitu, tak i jejich lineární a později i plošné drsnosti. Dalším přístrojem, který lze s výhodou využít nejen k dokumentaci, ale i k měření tvarů, rozměrů a drsnosti, je přístroj InfiniteFocus od firmy Alicona. Tento 3D měřicí přístroj určený pro měření v oblasti mikro- a nanorozsahu umožňuje zachytit topografii povrchu včetně jeho skutečné barevné informace. Pracovní princip tohoto přístroje je kombinací optického snímání s malou hloubkou ostrosti a vertikálního skenování povrchu. Mikrogeometrie břitu se nejčastěji sleduje z hlediska velikosti poloměru zaoblení ostří. Další předností tohoto přístroje je, že dovoluje rychlé stanovení drsnosti povrchu v místě řezné hrany. Výhodou oproti dotykovým a konvenčním optickým přístrojům je možnost měření tvarově složitých ploch. Proto lze tento přístroj s výhodou použít i pro měření drsnosti na fazetce nástroje.

Další analytickou metodou, která se v poslední době ukázala jako rozhodující při studiu integrity povrchu, je RTG difrakční analýza, která je využita nejen při sledování fázových struktur, ale především pro identifikaci zbytkových napětí. Pozornost odborné veřejnosti se v oblasti integrity povrchu obrací k číselným hodnotám. Velikost zbytkového napětí poskytuje tyto konkrétní hodnoty. Nicméně je potřeba k nim přistupovat s rozvahou a neustále jejich absolutní hodnoty korigovat s dalšími vlastnostmi, které mnohdy nejsou číselně vyjádřeny. Na pracovišti autora je v současné době věnována pozornost zbytkovým napětím v místě řezné hrany. Ze získaných výsledků vyplývá, že zbytková napětí generovaná v procesu broušení nástroje vedou v důsledku PVD depozice k poškození řezné hrany, a to až do hloubky několika mikrometrů pod povrch. Již byly odzkoušeny procesy vedoucí ke snížení těchto zbytkových napětí pod hodnoty, kdy neiniciují poškození řezné hrany. Tento proces mohl být odladěn jedině díky komplexnímu přístupu integrity povrchu řezné hrany.

Uvedený článek dokumentuje nejen přístup integrity povrchu, která umožňuje posouzením více faktorů dospět k závěrům, jejichž důsledky jsou běžně pozorovány, avšak příčiny nejsou dostatečně objasněny. Další významnou informací je, že v některých případech za adhezně poškozenou vrstvu na řezné hraně nástroje nese odpovědnost výrobce nástroje, nikoliv firma provádějící depozici. Důležitým poznatkem je i to, že existují způsoby, jak vhodným tepelným zpracováním snížit nežádoucí zbytkové napětí a tím zamezit rozvoji poškození řezné hrany. Na pracovišti autora článku se bude této problematice věnovat vysoká pozornost, neboť v současné době jsou již stupeň poznání i technické vybavení na takové úrovní, že lze objasnit celou řadu příčin poškození nástroje ještě před jeho aplikací v řezném procesu. Pracoviště autora vítá jakoukoliv spolupráci s praxí, neboť ta umožní okamžitý přenos výsledků do praxe.

Doc. Dr. Ing. Antonín Kříž

kriz@kmm.zcu.cz

ZČU, Katedra materiálu a strojírenské metalurgie

Literatura

[1] BUMBÁLEK, B.: Integrita povrchu a její význam pro posouzení vhodnosti dané plochy pro její funkci. On-line 2.4.2014 //gps.fme.vutbr.cz/STAH_INFO/2512_Bumbalek.pdf
[2] KŘÍŽ, A.: The surface: what is the way to better understanding? Metal 2010. In Proc. of: Metal 2010, 19th
[3] KŘÍŽ, A., JANOUŠEK, A.: Zavádění technologie vlečného omílání ve společnosti HOFMEISTER s.r.o. Výzkumná zpráva ZČU Plzeň 2011.

Tento článek a provedené analýzy byly realizovány na základě řešení studentského projektu SGS – 2012-044 „Aplikace progresivních vrstev na řezné nástroje s důrazem na integritu obrobeného povrchu a řezné hrany“.