Obrábění těžkoobrobitelných materiálů

Ještě v 80. letech byly materiály jako Inconel nebo Hastelloy známy jen v leteckém a kosmickém průmyslu. Dnes zahrnuje tato skupina mnohé další materiály legované niklem a kobaltem, jakož i CoCr, a tyto materiály mají rozličné použití. Z důvodu vysoké odolnosti proti otěru a proti žáru lze tento materiál velmi těžce obrábět produktivně obvyklými konvenčními nástroji, které mají velice nízkou životnost. Proto některé firmy, jako například firma Horn, kterou na českém a slovenském trhu zastupuje společnost SK Technik, dodávají komplexní systémy pro obrábění těchto těžkoobrobitelných materiálů s optimální kombinací slinutého karbidu, geometrie a povlaku.

Menší velikost zrn slinutého karbidu

Odolnost proti opotřebení je dána z větší části obsahem karbidu wolframu v základním substrátu. Tvrdost vyměnitelné břitové destičky, tedy i slinutého karbidu, stoupá s ubývajícím obsahem kobaltu. Tradiční ISO rozdělení druhů řezných materiálů na K, M nebo P není při třískovém obrábění těžkoobrobitelných materiálů vhodné. Tvrdost, pevnost břitu a tuhost závisí zejména na nejjemnější struktuře zrna. V současné době jsou testovány řezné materiály s velmi jemným zrnem s velikostí zrn do 0,3 µm. Jakmile bude proces bezpečně odzkoušen, budou k dispozici další komponenty zvyšující výkon obrábění.

Správné utváření třísky redukuje zatížení ostří

Vysoce pevné materiály při třískovém obrábění vyžadují z důvodu vysokého zatížení břitu speciálně navržený břit, který bude umožňovat volný odchod třísek. Aby se tříska správně utvářela, musí výrobce nástrojů dát k dispozici vhodné řezné podmínky. Vysoké legující podíly chromu, niklu, kobaltu, molybdenu a titanu ztěžují utváření třísky. Tím narůstá nebezpečí poškození hlavního břitu a geometrie vyměnitelné břitové destičky. Těmto výsledným požadavkům na velmi ostrý a vysoce pevný břit odpovídá například geometrie firmy Horn, která zformuje třísku do příznivého tvaru žlábku. Tříska tím zmenší svoji šíři v závislosti na posuvu o 1 až 2,5 % šířky břitu, a tak je možné provádět zápichy nebo upichovat materiál do hloubky 25 mm bez problémů s odvodem třísky.

Povlak pro použití při vysokých teplotách

Nový nástroj odvede asi 70 % tepla z třískového obrábění do odcházejících třísek. Tento podíl s přibývajícím opotřebením klesá a u žáropevných materiálů tak může být rychle překročena přípustná pracovní teplota povlaku a dosažen velmi rychle konec trvanlivosti nástroje. Přitěžujícím faktorem může být i to, že chladicí kapalina není dovedena na břit v dostatečném množství a tlaku. Zřetelné výhody při odolnosti proti opotřebení nabízí povlak TiAlN. Homogenní struktura povlaku, jakož i nitridy a jejich vysoká povrchová oxidační teplota, umožňuje odolávání teplotě 800 až 1 000 °C. Asi 3 µm tlustá vrstva zvýší povrchovou tvrdost nástrojů a sníží součinitel tření v porovnání se základním materiálem. Z důvodu dosažení kvalitního povlaku firma Horn provádí povlakování na vlastním zařízení. Technologické pokroky spojené s vývojem nového složení povlaku a postupu povlakování jsou očekávány především v oblasti oxidační stálosti a snížení tření.

Legující složka ovlivní obrobitelnost

Ve skupině ocelí dle DIN 1.4xxx (nerezové a kyselinám odolné oceli) leží velmi dobře obrobitelné materiály jako 1.4305 těsně vedle hůře obrobitelných 1.4311. Oba materiály jsou dosti podobné v chemickém složení s přibližně 18 Cr, 10 % Ni a s až 2 % Mo. Další příměsi pro zlepšení odolnosti proti opotřebení a korozi se projeví při ohřevu a tvorbě třísky negativně. Pozitivní je proti tomu podíl síry asi 2 u druhu 1.4305, který zlepšuje lámání třísky. Materiály s nepatrným obsahem nebo bez obsahu síry jsou vhodné pro obrábění na soustružnických automatech a vícevřetenových automatech. Aby se zamezilo vzniku dlouhých třísek, nesmí být zvolen příliš malý posuv, nebo musí být použit vhodný utvařeč na břitové destičce.

Nerezové materiály, zejména austenitické oceli, jsou často náchylné ke zpevňování za studena. Aby mohl břit přes tvrdou vrstvu proniknout, stačí zvolit dostatečně velkou hloubku řezu a posuv. Spolu s přizpůsobenou geometrií nástroje je potom zajištěno dobré formování i lámání třísky. Materiály ze skupiny 2, jako je například 2.4668 (NiCr19Fe19Nb5Mo3), známý také jak Inconel alloy 718, jsou obrobitelné jen za určitých podmínek. Až 55 % Ni a 20 % Cr charakterizuje tento kyselinám odolný a žáruvzdorný materiál. U třískového obrábění však z důvodu odolnosti obráběného materiálu proti opotřebení vzniká velmi silný vývin tepla a tříska se velmi obtížně láme.

Problematická volba řezných podmínek

Jak prokázaly mnohé zkoušky, je šířka pásma možné řezné rychlosti _cvelmi úzká. Optimální řezná rychlost při frézování u Inconelu 718, například s frézou Horn typu DS s břity ze slinutého karbidu TS3K, je od 30 do 35 m.min^-1. Zvýšení řezné rychlosti na _c = 40 m.min^-1vede velmi rychle k opotřebení na hřbetu, silnému vývinu tepla na břitu a bezprostředně k lomu nástroje. Na základě extrémního bodového vývinu tepla může docházet k plastické deformaci slinutého karbidu. Bude-li řezná rychlost zvolena naopak příliš malá, podporuje se tvorba nárůstků, což rovněž drasticky redukuje trvanlivost nástroje. Pro chlazení i odvod třísek se osvědčilo používat emulzi s obsahem oleje přes 12% nebo přímo řezný olej. Pro materiály, které nejsou zařazeny do skupiny dle DIN, dodá vhodné doporučené řezné podmínky přímo firma Horn.

Nástrojové systémy pro CoCr oceli

Ekonomické obrábění drahých vysokolegovaných ocelí a slitin titanu pro speciální použití v lékařské technice předpokládá použití vyladěného nástrojového systému. Příkladem je vyměnitelná destička typu 229 v kombinaci s modulárním nástrojovým držákem systému 220 při výrobě kulového kloubu a lůžka pánve pro kyčelní náhrady. Výrobci těchto částí byli nespokojeni se životností používaných nástrojů a vyzvali proto známé výrobce, aby předložili návrhy nového nástrojového systému. Při vypracování návrhu se specialisté firmy Horn soustředili na rozhodující místo: šířku vyměnitelné břitové destičky a její důsledky na řez a životnost. Jako optimální ve vztahu k rozměru kulové hlavy kloubu a lůžka pánve se ukázala vyměnitelná břitová destička se šířkou břitu 4 mm se spolehlivým prizmatickým uložením v kazetě. Dosedací plocha 22 mm zajišťuje při upichování, ale i při obrábění čelních zápichů pevné uložení.

Další zvýšení životnosti

Díly pro kyčelní náhrady se obrábějí na soustruhu z tyčového polotovaru. Osmiprocentní emulze je vedena přímo tryskou v držáku na hlavní břit. Po několika pokusech byl požadovaný proces bezpečně realizován při těchto parametrech: řezná rychlosti v = 50 m.min^-1 a posuv f = 0,08 mm.ot.^-1. Tyto řezné podmínky u CVD povlakovaného řezného materiálu TH36 zřetelně předstihly očekávání: trvanlivost se zvýšila ze sedmi na 25 kulových hlav. Při lůžku pánve větším v průměru asi o 40 % bylo možné opracovat jedním břitem tři pánve, životnost břitu dosáhla 25 minut a oproti předešlému opracování tak byla zvýšena životnost o 250 %.

Komplexní návrh řešení

Při obrábění těžkoobrobitelných materiálů platí, že čím vyšší je jejich odolnost proti otěru a žáru, tím komplexnější musí být řešení nástroje pro optimalizovanou výrobu. V těchto případech je speciální nástroj nejen doporučením, ale většinou také jedinou alternativou. Návrh nástroje musí vždy proběhnout po konzultaci s uživatelem. Pak lze vyvinout nástroje se vzájemně sladěnými komponenty zahrnujícími slinutý karbid, geometrii a povlak, jakož i strategii obrábění. S ohledem na delší cyklus výměny nástrojů lze redukovat vedlejší neproduktivní časy a díky optimalizaci třísky zaručit hospodárnou výrobu i při obrábění těžkoobrobitelných materiálů.

Rose Bauer

SK Technik

www.sktechnik.cz

dvorak@sktechnik.cz