Nová generace RO-PM

Trvalé zvyšování produktivity řezných nástrojů při současném zhoršujícím se stavu obrobitelnosti materiálu predikuje důležitost splnění vysokých kvalitativních požadavků na trvanlivost (životnost) řezné části. Výkon nástroje je tak ovlivňován mnoha různými faktory, jako například odolností břitu proti plastické deformaci (tvrdostí ostří), tepelnému zatížení, mikronávarům, koeficientu tření, geometrií, ale i abrazivitou, mechanickými vlastnostmi, nehomogenitou a stavem obráběných materiálů.

Vliv krystalizace taveniny v inertním plynu
Přední výrobci vysoce legovaných rychlořezných ocelí se proto snaží vyvíjet nové metalurgické technologie, zavádět nové materiály, které by zaručily podstatné zvýšení řezivosti oproti současným jakostem RO (rychlořezných ocelí). Vývoj v oblasti řezných nástrojů směřuje k nárůstu výkonů, zvyšování spolehlivosti, trvanlivosti i stability řezné hrany včetně její dobré obrusitelnosti. Podstatného zlepšení se v posledních letech dosáhlo zavedením tzv. PM ocelí, které se vyrábějí technologií práškové metalurgie, u kterých se pozitivně projeví vliv krystalizace taveniny v inertním plynu (N₂, Ar₂).
Řezné nástroje vyrobené pomocí práškové metalurgie jsou podstatně houževnatější než konvenční rychlořezné oceli, tudíž délky řezné hrany mohou být podstatně větší. Uvedená technologie (PM) zároveň umožňuje bohatší legování, takže při podstatně větší tvrdosti (65-68 HRC) je nástroj poměrně velice houževnatý. Další předností je zvýšená řezivost (odolnost proti otěru i opotřebení), možnost obrábět nejrůznější jakosti i stavy materiálů, vynikající obrusitelnost - integrita povrchu (díky jemnozrnné struktuře) a tudíž dosahovaná až trojnásobná trvanlivost řezné hrany oproti klasickým RO.

Zadání úkolu

Od zákazníka (Wikow MGI, a. s.) byl zadán konkrétní požadavek na nástroj určený pro výrobu (obrábění) ozubení m = 6 odvalovacím způsobem na kole + pastorku z materiálu dle DIN 18CrNiMo7-6 - výkovek (stav po normalizaci cca 280 HB), bez nutnosti povrchové úpravy, s cílem ušetřit za depozici PVD vrstvy a následné náklady vyplývající z renovace nástroje včetně podstatného zkrácení průběžné doby výroby.

Z kvantifikace procesu vyplývají následující požadavky na vlastnosti řezného materiálu: vysoká řezivost a trvanlivost i bez následných povrchových úprav; vysoká tvrdost i za zvýšených teplot řezání T< 600 °C; vysoká odolnost proti mechanickým druhům opotřebení; vysoká dynamická houževnatost; značná odolnost proti popuštění a následným objemovým změnám (min. % zbytkového austenitu po tepelném zpracování); min. a rovnoměrné změny vlivem transformací při tepelném zpracování; vyváženost mechanických a fyzikálních vlastností; vyvážená obrobitelnost a s tím související integrita povrchu.

S ohledem na třídu obrobitelnosti (11b) a mechanické vlastnosti výkovku (Rm = 900-1 050 MPa) byly doposud používány kobaltové RO-PM (Vanadis 30, ASP2030, CPM REX 76, atd.) s následnou povrchovou úpravou - tenká vrstva na bázi TiAlN_x. Přestože aplikované PVD povlaky vyřešily již mnoho složitých procesů v obrábění, zůstávají některé vlastnosti (zvětšení poloměru řezné hrany a ostří, makročástice, adheze mezi tenkou vrstvou a substrátem, operace navíc, náklady, renovace, apod.) povlaků jako diskutabilní a někdy dokonce těžko obhajitelné u zákazníka.

Doporučená jakost RO-PM musí splňovat následující požadavky: výsledná tvrdost po min. 4x popouštění 62-65 HRC; odolnost proti teplotnímu zatížení do T≤ 600 °C, tzn. vysoká popouštěcí teplota; otěruvzdornost zejména proti mechanickým způsobům opotřebení (abrazi, adhezi); optimální vazba mezi tvrdostí a houževnatostí (vysoká odolnost proti vzniku vrubů, kráterů, zaoblení, rozdrobení, popraskání, destrukce řezné hrany); vysoká tuhost (štíhlostní poměry) a kinematická rovnováha nástroje; rozměrová a geometrická stálost; snadná, jednoduchá reprodukovatelnost ostří; optimální obrobitelnost a obrusitelnost; variabilní, univerzální použitelnost; optimální geometrie břitu ve vztahu k řezným podmínkám v procesu obrábění; optimální integrita povrchu břitů.

Na základě detailní analýzy a zkušeností byla zvolena jakost RO-PM Vancron 50, vysoce legovaná slitinová Cr-Mo-V-N ocel s vysokou odolností proti opotřebení (především vlivem homogenní dobře distribuované fáze VN s nízkým koeficientem tření), vysokou pevností v tlaku, optimálním poměrem mezi tvrdostí a ostatními mechanickými hodnotami, vysokou stálostí rozměrů při TZ a se značnou odolností proti popouštění.

Vlivem schopnosti N₂ tvořit s Fe přesycený tuhý roztok (intersticiální N₂  přesycen ve feritu) došlo k jemné distribuci nitridů (těžké částice), čímž si ocel zachovala vysokou houževnatost i při poměrně vysoké tvrdosti. Kontinuální precipitace sekundární fáze nitridů především na bázi vanadu a současně redistribuce intersticiálního dusíku do energeticky příznivějších poloh (kolem mřížkových poruch) a vznik jemných koherentních precipitátů s homogenním napěťovým polem dává oceli vysoké užitné vlastnosti.

Výsledek řešení

Praktické odzkoušení odvalovací frézy m 6 (ø 112 mm, 10 hřebenů, délka 90 mm) bylo na stroji  Pfauter PE1000. Z důvodu dodaného polotovaru RO-PM bohužel nebyl nástroj rozměrově optimální, čímž by se ještě podstatně zlepšila ekonomika procesu obrábění. 

Závěr

Na konkrétním nástroji - odvalovací fréze m = 6 byla aplikována poslední vývojová jakost RO-PM, která nejenže umožnila zvýšení řezné rychlosti, trvanlivosti, ale především dokázala svými vlastnostmi nahradit i PVD tenké vrstvy, které jsou velmi častou součástí povrchové úpravy nástrojů. Tímto se podstatně zkrátí výrobní proces, ušetří náklady jak za PVD depozici, tak s tím související přeostřování a následné povlakování. V tabulce 2 jsou vyhodnoceny výsledky zkoušek frézovacích nástrojů z materiálu Vancron 50, ASP 2030 a z HSSE (19 852.4). U každé jakosti je uvedena i alternativa, kdy je nástroj PVD depozicí povlakován (TiAlNx).

V grafu 1 je znázorněn poměr pořizovacích nákladů nástroje včetně povlakování (pokud je realizováno), vztažený na náklady za vyfrézování ozubení na 1 kusu. Graf 2 uvádí strojní čas potřebný pro vyfrézování ozubení na 1 kusu. Graf 3 uvádí počet kusů, které se vyfrézují daným nástrojem po dobu jeho životnosti. Z těchto grafů vyplývá, že nepovlakovaný nástroj z materiálu Vancron 50 plně nahradí povlakovaný nástroj z materiálu HSSE, a dokonce je i na stejné úrovni jako povlakovaný nástroj z materiálu ASP 2030. Varianta použití nástroje z materiálu Vancron 50 bez povlaku je nejvýhodnější v nákladech na výrobu jednoho kusu.

Firma Pilsen Tools trvale sleduje a vyvíjí nová konstrukční řešení (protuberans, prostorové uspořádání zubů apod.) odvalovacích fréz s cílem dosáhnout maximální produktivity obrábění ozubení i na zušlechtěných vysoce houževnatých ocelích.

Tento projekt byl realizován za finanční podpory z prostředků státního rozpočtu prostřednictvím MPO - FT-TA4/082 a MŠMT - E!4261-TECTECH.

Dr. Ing. Miloslav Kesl

kesl@pilsentools.cz

Pilsen Tools

Tabulky a grafy naleznete v tištěné verzi časopisu MM Průmyslové spektrum.

On-line verzi časopis MM Průmyslové spektrum si můžete nově zakoupit na digitální trafice PUBLERO.