Obrábění bezolovnatých slitin mědi

Slitiny mědi se vyznačují vysokou tepelnou a elektrickou vodivostí, jakož i vyni-kajícím baktericidním působením a používají se proto v různých oblastech techniky, například v elektrotechnice, v chemických zařízeních, v klimatizaci, ve zdravotnictví a v potravinářství. Vzhledem k takto širokému použití je v současné době vyvíjeno vel-ké množství rozmanitých slitin mědi. Hlavním cílem provedeného výzkumu bylo nejen optimalizovat vlastnosti materiálu pro daný účel použití, ale také vyrobit poloto-var a vlastní součást co možná nejproduktivněji.

S ohledem na zvýšení produktivity obrábění byly vyvíjeny slitiny mědi s vhod-nými přísadami, zejména s olovem. Tak vznikly materiály s velmi dobrou obrobitel-ností – např. olovem legovaná automatová mosaz CuZn39Pb3. Tento materiál je, i při zachování specifických technických požadavků kladených na jeho použití (včetně dalších funkčních aspektů), používán v mnoha oborech přednostně pro svoji výbornou obrobitelnost.

V základní struktuře materiálu způsobuje olovo v jemně disperzním rozptýlení prodloužení trvanlivosti břitu nástroje a tím i vysokou geometrickou stálost vyráběné součásti.

Vzhledem k ochraně zdraví a životního prostředí sleduje od konce devadesá-tých let Evropská komise a členské státy EU cíl snížit znečištění ovzduší těžkými ko-vy, zejména olovem. Dosud učiněná opatření byla zaměřena na bezolovnaté palivo pro spalovací motory. Také v oblasti kovů bylo značně redukováno použití těžkých kovů jako přísad do ocelí a slitin neželezných kovů. Pozornost je věnována i zpracování vzniklých emisí.

Příklady opatření učiněných zákonodárnými orgány jsou německé předpisy pro pit-nou vodu TrinkwV 2001 a směrnice 2000/53/EG a 2002/95/EG Evropského parla-mentu o starých automobilech, elektrických a elektronických zařízeních. Podle této směrnice je pro uvedené oblasti použití olova ve slitinách mědi limitováno. Třískové obrábění bezolovnatých slitin mědi je sice ve srovnání s obráběním jiných kovových materiálů, jako je např. vysoce pevná ocel nebo slitiny na základě niklu, snadnější, ale podstatně obtížnější než slitin mědi obsahujících olovo.

Materiál CuZn39Pb3 vzhledem ke kladnému účinku legujícího prvku olova vy-kazuje velmi dobrou obrobitelnost. Čistá měď Cu-ETP a nízkolegovaná měď Cu-Cr1Zr (obr. 1), stejně jako mnoho bezolovnatých slitin, jako je CuZn37, CuZn42, CuSn8P,CuAl10Ni5Fe4 a CuNi18Zn20, se jeví jako velmi špatně obrobitelné, zejména s ohledem na tvar vznikající třísky (obr. 2). Z důvodu vysoké houževnatosti a tažnosti těchto materiálů a chybějících legujících prvků podporujících lámání třísky se při obrábění tvoří většinou stužkové dlouhé smotané třísky, namotávající se na obrobek a na upínač nástroje. Tato problematika je ještě nepříjemnější při dokončovacích operacích, kdy se pracuje s malým posuvem a malou hloubkou řezu. V automatizované výrobě snižuje špatné utváření třísky značně spolehlivost procesu obrábění a produktivitu vzhledem k častým prostojům obráběcího stroje. Speciální bezolovnaté mosazi obsahující křemík CuZn10Si4, CuZn10Si4-C a CuZn21Si3P vykazují dobré utváření třísky. To je způsobeno tím, že fáze křemíku (κ-fáze) v krystalové mřížce má podobný účinek na lámání třísek jako olovo.

Vedle tvoření nevhodných tvarů třísek existuje při obrábění bezolovnatých slitin mědi další problematika. Jsou to vyšší řezné síly působící na obrobek a nástroj. Obr. 3 ukazuje průběh řezných sil při soustružení bezolovnatých slitin mědi ve srovnání s obráběním olovnaté mosazi CuZn39Pb3. Značný nárůst řezných sil se vysvětluje především silným pěchováním třísky, které vede ke zvýšení mechanického zatížení nástroje. Při obrábění CuZn37 (obr. 4) bylo ve srovnání s CuZn39Pb3 zjištěno asi pětinásobné zvýšení pěchování třísky.

V důsledku vysokých řezných sil a mechanického zatížení břitu nástroje se při soustružení čisté mědi Cu-ETP povlakovaným slinutým karbidem (HC-N10, PVD- TiAlN povlak), řeznou rychlostí vc = 200 m.min^-1, posuvem f = 0,1 mm a hloubkou řezu ap = 1 mm (KSS: emulze) vytvoří po době obrábění 25 minut maximální opotře-bení hřbetu břitu nástroje VBmax = 0,26 mm (obr. 5). Při obrábění všech ostatních druhů slitin mědi nebylo ani po obrábění 150 minut dosaženo stanoveného kritéria opotřebení VBmax = 0,2 mm. Ještě není možné říci konečný názor na tvoření opotře-bení břitu nástroje. Lze však konstatovat, že ve srovnání s CuZn39Pb3 bylo při obrá-bění CuSn8P, CuNi18Zn20, CuAl10Ni5Fe4 a CuAl10Fe5Ni5-C pozorováno jasně větší opotřebení hřbetu břitu nástroje.

Obr. 6. Porovnání tvaru třísek při soustružení různých druhů slitin mědi v závislosti na strategii chlazení. (vc = 125 m.min^–1, f = 0,03 mm, ap = 0,25 mm, vyměnitelná břitová destička CNMG120404, materiál břitu SK-N05/N25 (IC20, nepovlakovaný)

Výchozím bodem pro optimalizaci procesu lámání třísky a zvýšení výkonu obrábění jsou pro daný případ obrábění vhodně zvolený základní materiál břitu a jeho povlak, jakož i makro- i mikrogeometrie břitu nástroje. Alternativou k PVD povlaku TiAlN je použití povlaku CVD typ TiCN-Al2O3-TiN, který značně snižuje opotřebení břitu při obrábění čisté mědi Cu-ETP a CuSn8P. Naproti tomu opačně působí povlak PVD typ TiB2, který zvyšuje sklon k adhezi a vykazuje vyšší mazivost.
Změnou geometrie břitu nástroje je možné u mnoha druhů bezolovnatých slitin mědi dosáhnout kontrolované lámání třísek, avšak zpravidla ne při posuvech men-ších než 0,05 mm. Malé posuvy a malé hloubky řezu jsou však požadovány při obrábění malých součástí, zejména v elektrotechnice. Zde se osvědčuje použití chladicího zařízení (KSS) s cíleným přívodem proudu chladiva se zvýšeným tlakem a objemem působícím na spodní plochu třísky hydrodynamickou silou, která vytváří efekt kapalinového utvařeče. Použitím tohoto cíleného přívodu vysokotlakého chladiva se může při podélném soustružení dosáhnout, dokonce i u slitin mědi tvořící dlouhou třísku, kontrolovaného lámání třísek i u posuvů menších než 0,05 mm (obr. 6). Při tomto způsobu chlazení se používá tlak 25 až 40 bar, v některých případech dokon-ce pouze 6 bar. Cílený přívod vysokotlakého chladiva umožňuje dosáhnout velmi dobrého lámání třísek i u vyměnitelných břitových destiček bez utvařeče. Tím se otevírá možnost použít pro obrábění dlouhých tyčí z bezolovnatých slitin mědi břitové destičky z polykrystalického diamantu bez utvařeče a tak podstatně zvýšit trvanlivost břitu nástroje, výkon obrábění a kvalitu obrobeného povrchu oproti dosud používaným vyměnitelným břitovým destičkám ze slinutého karbidu, u kterých dochází za krátkou dobu ke značnému opotřebení břitu nástroje.

Fritz Klocke, Dieter Lung a Christoph Nobel
MM Das Industriemagazin č. 36/2012

Zpracoval: - VŘ -

dana.benesova@mmspektrum.com