Obrábanie austenitických ocelí nástrojmi z HSS

Efekt spevňovania môže byť tak intenzívny, že na obrobenej ploche môžu vzniknúť oblasti s extrémne vysokou tvrdosťou - 400 až 500 HB s hrúbkou 0,1 mm. Táto skutočnosť je veľmi dôležitá pri voľbe geometrie rezného nástroja, pričom negatívny uhol čela a opotrebenie rezného nástroja spevnenú vrstvu zväčšujú. Pozitívny uhol čela a ostrá rezná hrana nástroja pôsobia naopak.

Problematika obrábania austenitických ocelí

Čo sa týka rezných podmienok, je vhodné voliť hĺbku rezu a posuv tak, aby sa nástroj pri obrábaní dostal za spevnenú vrstvu, respektíve, tak aby sme sa vyhli vysokým deformačným rýchlostiam materiálu. Dôvodom spevňovania za studena je jedna z premien podchladeného austenitu, konkrétne premena austenitu na martenzit pri vysokých deformačných rýchlostiach. Nízka tepelná vodivosť je ďalším problémom, ktorý ovplyvňuje voľbu materiálu rezného nástroja. Teplo z primárnej a sekundárnej plastickej deformácie nie je prednostne odvádzané trieskou a taktiež šírenie tepla zo zóny rezania späť do materiálu je obmedzené. Dôvodom je vysoký obsah chrómu, ako legujúceho prvku, ktorý znižuje tepelnú aj elektrickú vodivosť. V zóne rezania tak ostáva väčšie množstvo tepla, ktoré nepriaznivo vplýva na životnosť nástroja. Tieto skutočnosti kladú vysoké nároky na rezné nástroje. Jednou z možností obrábania austenitických ocelí,  je ich obrábanie nástrojmi z HSS a HSS-PM pri rezných rýchlostiach v intervale od 10 m.min^-1 do 35 m.min^-1. Tieto nástroje sa vyznačujú vysokou  húževnatosťou a dostatočnou tvrdosťou pri nižších teplotách rezania. Nástroje z HSS a HSS-PM majú široké uplatnenie v oblasti nízkorýchlostného a tvarového obrábania a v prípadoch obrábania, kde sa rezné sily menia amplitúdovo aj frekvenčne. V rámci experimentálneho skúmania rezných vlastností rezných materiálov z HSS a HSS-PM bol realizovaný parciálny experiment na zistenie vplyvu rezného prostredia na uvedené rezné materiály, nakoľko jednou z možností, ako čiastočne znížiť stratu tvrdosti týchto nástrojov pri vysokých teplotách rezania, je použitie vhodného procesného média.

Rezné prostredie

Pri realizácii parciálneho experimentu bol  použitý ionizovaný vzduch (ozón) ako ekologické procesné médium, ktoré sa vyznačuje silnými oxidačnými účinkami, dobrým prenikaním do zóny rezania a pomerne vysokou tepelnou vodivosťou. Nakoľko obrábaným materiálom bola chróm-niklová austenitická oceľ s vysokým obsahom Cr (17-19,5 %) a  Ni (8-10,5 %), nebolo možné v plnej miere využiť mastiace a zmáčacie vlastnosti aplikovaného ozónu. Práve chemické zloženie ocele zabraňuje nielen vzniku korózii, ale aj oxidačným procesom. Z teoretického hľadiska sa mohli mastiace účinky silne oxidačného prostredia prejaviť na nástrojoch, nakoľko použité HSS-Co frézy neboli povlakované metódou PVD a obsahovali len približne štvrtinu obsahu chrómu obrábanej austenitickej ocele. Práve metóda povlakovania PVD zabezpečuje odolnosť nástrojov proti oxidácii. V prípade existencie týchto tenkých oxidovaných vrstiev by bol súčiniteľ trenia trecej dvojice obrábaný materiál a nástroj znížený. Uvedená teória by mohla byť potvrdená na základe ďalšieho výskumu, kde by boli rezné nástroje ohriate v peci na predpokladanú teplotu v zóne rezania a následne by na ich povrch bol aplikovaný ozón. Následné pozorovania by tak mohli potvrdiť prítomnosť oxidovanej vrstvičky na rezných nástrojoch. Na generovanie ozónu bolo použité zariadenie od firmy LifeTech. Toto zariadenie pozostáva zo sušičky vzduchu, kompresora, generátora ozónu, odsávacieho zariadenia a neutralizačnej jednotky.

Parciálny experiment

V súčasnej dobe sú na obrábanie austenitických koróziivzdorných ocelí najčastejšie nasadzované rezné nástroje zo spekaných karbidov, ktoré v porovnaní s reznými nástrojmi z klasických rýchlorezných ocelí a rýchlorezných ocelí vyrobených práškovou metalurgiou si zachovávajú svoju tvrdosť aj pri vyšších rezných rýchlostiach. Spekané karbidy však zaostávajú za nástrojmi z HSS a HSS-PM húževnatosťou, možnosťou aplikovať vyššie rýchlosti posuvu a cenou. Nástroje z HSS a HSS-PM je možné po opotrebení odpovlakovať, brúsiť a opäť povlakovať. Rezný výkon je možné u nástrojov z HSS a HSS-PM zvýšiť pomocou zvyšovania axiálnej a radiálnej hĺbky rezu. Pri úprave podmienok je potrebné rešpektovať medzu stability rezného procesu.

Rezný výkon: [cm³.min^-1], kde a_p - axiálna hĺbka rezu, a_e - radiálna hĺbka rezu a v_f - rýchlosť posuvu.

Parciálny experiment mal za cieľ zistiť vplyv zmeny rezných parametrov na výsledný charakter obrobenej plochy, zistiť vplyv rezného prostredia na opotrebenie rezných nástrojov a získať výsledky (etalón) pre viackriteriálne hodnotenie rezných vlastností rezných nástrojov z rýchlorezných ocelí vyrobených konvenčnou a práškovou metalurgiou. Podľa literatúry HSS Smart Guide Milling je pre nepovlakované rezné nástroje z HSS-Co stanovená maximálna rezná rýchlosť na hodnotu od 10 do 15 m.min^-1. Počas tohto experimentu bola dosiahnutá rezná rýchlosť 29 m.min^-1 v troch prípadoch, pričom ani v jednom prípade nedošlo k opotrebeniu na hlavnej chrbtovej ploche. Z rezných parametrov boli zmenené otáčky(rezné rýchlosti) a posuvy na zub. Všetky pokusy boli realizované ako súbežné frézovanie. Dĺžka frézovanej plochy bola v každom prípade 100 mm. Hodnoty drsnosti boli namerané pomocou zariadenia Mitutoyo SJ-400.

Použité nástroje a rezné parametre

Pre experimentálne overovanie boli použité frézy HSS- Co s parametrami: M42, priemer čelne valcovej frézy 16 mm, priemer upínacej časti [h6] 16 mm, dĺžka reznej časti 32 mm, dĺžka frézy 92 mm, 4 zuby, rovnomerný rozostup zubov, bez PVD povlaku, uhol čela γ = 12°, typ frézy N univerzálne použitie, vhodné pre materiály do pevnosti 900 MPa, jeden zub cez stred.

Rezné parametre boli otáčky 290, 360, 580 [ot.min^-1], posuv na zub 0,007 8; 0,012 5; 0,015 5; 0,015; 0,024; 0,025; 0,03; 0,04; 0,05 [mm.zub^-1] a radiálna a axiálna hĺbka rezu a_p = 8 mm, a_e = 2 mm.

Výsledky a závery

Najlepšie hodnoty drsnosti charakterizovanej výškou nerovnosti profilu z desiatich bodov - Rz - boli dosiahnuté pri hodnotách otáčok vretena 580 ot.min^-1 a posuve na zub 0,015 mm. Podobné hodnoty boli dosiahnuté aj pri otáčkach 360 ot.min^-1 a posuvoch na zub 0,012 5 a 0,024 3 mm. Vlastnosti aplikovaného chladiaceho média nemohli byť využité v plnej miere, nakoľko obrábaný materiál sa vyznačuje vysokou odolnosťou voči oxidácii. Zabránilo sa tak vzniku oxidovanej vrstvy na obrábanom materiáli, ktorá by priamo v mieste rezania pôsobila ako mazacia vrstva. Bola využitá iba chladiaca schopnosť plynného média a jeho schopnosť lepšieho preniknutia do miesta rezania. Chladiaci účinok a schopnosť preniknutia do miesta rezania však boli postačujúce. Nižšie rezné rýchlosti v porovnaní s reznými rýchlosťami aplikovanými pri obrábaní spekanými karbidmi zabezpečili, že nedochádzalo k vytvrdzovaniu tenkej vrstvy obrábaného materiálu pred rezným nástrojom, čiže obrábaný materiál nebol vystavený vysokým deformačným rýchlostiam. Pri realizácii ďalších experimentov je možné využiť výhodu HSS nástrojov obrábať s vysokou axiálnou hĺbkou rezu. Zvyšovanie axiálnej hĺbky rezu by zabezpečilo zníženie zaťaženie vedľajšieho ostria na jednotku jeho dĺžky a taktiež by sa zvýšil aj rezný výkon. Na zvýšenie trvanlivosti rezných nástrojov by bolo možné využiť prúd ochladeného vzduch na -5 °C a viac.  Na testovaných nástrojoch bolo sledované aj opotrebenie na chrbtovej ploche VB, ako aj iné formy opotrebenia. Maximálna hodnota opotrebenia VB, ktorá bola nameraná na chrbtovej ploche nástrojov po dobe rezania 20 min, bola 0,2 mm. V prípade jedného nástroja bol pozorovaný krehký lom, kde došlo k deštrukcii troch zubov a tým aj k strate reznej schopnosti nástroja.

Všetky realizované experimenty preukázali, že skúmanie týchto rezných materiálov pre uvedené aplikačné možnosti  má svoje opodstatnenie, a to nielen z hľadiska technologického, ale aj z hľadiska ekonomického.

Článok vznikol za priamej podpory MŠ SR v rámci riešenia grantovej úlohy Vega č. 1/0885/10.

Ing. Miroslav Belán

Ing. Peter Michalík, PhD.

Ing. Adriána Tarasovičová

Ing. Marek Kasina

Fakulta výrobných technológií Technickej univerzity v Košiciach

miroslav.belan@tuke.sk