PKD a CBN nástroje

Vývoj a výroba PKD a CBN nástrojů je od poloviny osmdesátých let minulého století ve firmě Gühring high-tech oborem. V produkčních závodech v Evropě, Americe a Asii vznikají dnes inovativní a zároveň komplexní kombinované nástroje pro vysoce speciální obráběcí operace. V letošním roce byla také spuštěna výroba a renovace těchto nástrojů v České republice v závodě Sulkov u Plzně.

Jako nejtvrdší přírodní minerál má diamant ideální předpoklady k opracování ostatních materiálů, disponuje kromě extrémní tvrdosti také velmi ostrými hranami. Diamant je krystalickou formou uhlíku, přetvářenou v podmínkách extrémních teplot a tlaků. Běžně jsou známé i jiné krystalické formy uhlíku, např. grafit, které však mají překvapivě zcela jiný charakter. Diamant vznikal před miliony let při komplexních geologických procesech zemského obalu ve 130- až 700kilometrové hloubce pod zemským povrchem a krystalizoval v průběhu sopečných erupcí. Pro tuto syntézu byly v těchto zemských hloubkách k dispozici teploty více než 1 000 °C a enormní tlak až 4 000 MPa. Vývoj diamantu z uhlíku byl nejistý, krystaly se mohou zvrhnout ve volné atomy uhlíku, vypařit se do kysličníku uhličitého nebo se změnit v grafit (známý jako tuha v běžných tužkách). Jediným způsobem, jak se diamant mohl zachránit, bylo jeho rychlé zchlazení cestou k povrchu, a proto diamanty vznikaly pod velkými, stabilními chladicími deskami Země nazývanými cratony. Až na několik málo výjimek je jediným druhem horniny, která může být diamantonosná v dostupných hloubkách, kimberlit podle města Kimberley v Jižní Africe. Kimberlit stoupá k povrchu Země v mrkvovitých kuželích, známých jako píšťaly. Je známo několik existujících kimberlitových píšťal, ale málo z nich obsahuje důležitá množství diamatů. Velké geologické posuny, pohyby ledovců a vody mohly způsobit přemístění diamantů na tisíce kilometrů od jejich původního podzemního zdroje. Většina světově nejkvalitnějších diamantů byla objevena právě na těchto sekundárních nalezištích. Přírodní diamanty se příliš nehodí pro průmyslové využití. Vykazují nestejnorodé vlastnosti a také jejich naleziště jsou značně omezena.

Vyrobit umělý diamant bylo pochopitelným snem mnoha vědců celou řadu staletí – na této myšlence je postaven i děj známého románu Hvězda jihu od Julese Verna. Skutečný úspěch se ale dostavil až roku 1954, kdy Tracy Hall ze společnosti General Electric postavil zařízení napodobující podmínky při vzniku přírodních diamantů. V tomto zařízení byl z grafitu za teplot 1 500 až 1 800 °C a tlaku 5 300 až 10 000 MPa vyroben polykrystalický diamant o průměru 1 mm. Na rozdíl od zápletky románu Julese Verna se ale skutečný vývoj neubíral k výrobě obrovských kamenů skvělých šperkařských vlastností, ale k produkci průmyslových diamantů vhodných především jako materiál na obráběcí nástroje. Většina diamantů používaných nyní na celém světě v průmyslu je syntetických. Uvádí se, že každý rok je v průmyslu spotřebováno 200 tun drobných diamantů, případně diamantového písku.

Umělé diamanty se dnes nejčastěji vyrábějí jednou ze dvou metod – HPHT (vyvinuta společností General Electric v polovině 20. století) a CVD. Při HPHT se diamanty „pečou“ za vysokých teplot a tlaků, kdežto CVD (Chemical Vapor Deposition) je podstatně něžnější metoda kondenzace par na vhodném podkladu. Směs vodíku s metanem je při této metodě bombardována nabitými částicemi nebo přímo plazmou. To vyvolá složitou chemickou reakci a následně déšť uhlíku dopadající na podklad, kde ztvrdne ve formě diamantu. První metoda přináší pro řezný materiál kruhové polotovary o průměru 50 mm, druhá metoda nachází uplatnění hlavně při aplikacích tenkých vrstev.

Kubický nitrid boru je také vysoce výkonný řezný materiál na podobné polykrystalické bázi jako PKD, který je vyráběn syntézou z hexagonálního nitridu boru také za vysokých teplot a tlaků. Jeho tvrdost předčí jen diamant a je vhodný pro obrábění materiálů, které diamantem opracovávat nelze. Svými vlastnostmi je tento řezný materiál předurčen pro obrábění materiálů s obsahem železa o tvrdosti od 45 HRC, stejně jako šedé a tvrzené litiny, i těžkoobrobitelných materiálů s vysokým podílem kobaltu a niklu. Na rozdíl od diamantu má CBN vyšší chemickou stálost a tepelnou odolnost do 1 200 °C.

Těla nástrojů jsou z oceli nebo ze slinutých karbidů. Do sedel plátků se pájí vlastní řezné destičky. Polotovarem jsou kruhové destičky, které jsou následně na elektroerozivním stroji nařezány do patřičných tvarů. Pro maximální využití destičky polotovaru se využívá speciálních programů, které poskládají požadované tvary řezných plátků tak, aby odpad byl minimální. Řezné plátky jsou pak napájeny na vlastní nástroj. Ten se potom očistí pískováním. Dále přichází na řadu erodování celého nástroje ke konečným rozměrům v toleranci 0,01 mm. Pokud je požadována vyšší přesnost, jsou nástroje broušeny na superpřesných bruskách až na tisíciny milimetru.

Nástrojový program zahrnuje vrtáky, frézy, výstružníky i řezné destičky. K tomu jsou také vyvíjeny, konstruovány a vyráběny především zákazníky specifikované nástroje pro vysoce komplexní obrábění. Hlavní uplatnění nacházejí tyto nástroje převážně v automobilovém průmyslu. Odlehčování konstrukcí při zvyšování výkonových parametrů a snižování spotřeby paliva u automobilů vede ke stále četnějšímu používání speciálních materiálů, jako jsou hliníkové a magnéziové slitiny. Typickými obrobky jsou motorové bloky, hlavy válců, klikové i vačkové hřídele, stejně jako převodové skříně či turbodmychadla a common-raily. Další širokou oblastí pro efektivní využití těchto nástrojů je letectví a kosmonautika. Se stupňujícími se požadavky na letadla, vrtulníky, nosné rakety i vesmírné satelity zrychluje také vývoj nových materiálů především na syntetické bázi kompozitů či speciálních slitin.

Plné využití maximálního potenciálu PKD a CBN nástrojů klade také extrémně vysoké nároky na výrobce strojů. Tyto obráběcí stroje a upnutí obrobků musejí být maximálně stabilní, stroje musejí být enormně tuhé při vysokých parametrech otáček vřetena a extrémně vysokých posuvů, absolutně bez chvění. To vyžaduje důsledně konstrukčně propracované uložení vřeten i vedení posuvových částí, stejně jako tuhostí celých posuvových soustav pohonů. Minimální házivost vřetena a vnitřní chlazení s vysokým tlakem je samozřejmostí.

Pro příklad byl vybrán z obrovského množství aplikací typický kombinovaný nástroj pro konečnou operaci obrábění sedla a vodítka pro ventil v hliníkové hlavě válců. Sedlo je již osazeno kroužkem ze žáruvzdorné oceli, jeho zahloubení se provádí částí nástroje o větším průměru. Jsou zde tři zuby, které jsou tvořeny CBN plátky, jež jsou úhlově i axiálně nastavitelné. Vodicí část ventilu v hlavě je již také osazena pouzdrem ze slitiny mědi. Ta je stružena šestizubým výstružníkem s napájenými PKD plátky. Řezné parametry pro vystružování vedení jsou vc = 75 m.min^-1, vf = 1 720 mm.min-1, n = 4 775 ot.min^-1. Řezné parametry pro obrábění sedla jsou vc = 130 m.min^-1, vf = 140 mm.min^-1, n = 1 580 ot.min-1. Požadované odchylky kruhovitosti jsou do 4 µm, válcovitosti do 6 µm a souososti do 8 µm.

Pro vývoj a konstrukci optimálního nástroje musí být v první řadě kompletní obráběcí proces posouzen jako celek. To platí obzvlášť pro konstrukce kombinovaných nástrojů, kde se využívá zároveň více pracovních kroků. Zde již od prvotního definování procesu až po sériové nasazení nástrojů poskytuje firma Gühring své dlouholeté zkušenosti. K dispozici jsou také speciální techničtí poradci pro PKD a CBN nástroje s celosvětovou působností, s cílem pomoci uživatelům při jejich aplikacích přímo v jejich podnicích.

Tyto technicky unikátní nástroje vznikají v nejmodernějších provozech, kde je k dispozici dvě stě špičkových pracovníků pro vývoj, konstrukci a výrobu. Nejnovější CAD programy a počítačové vybavení jsou využívány při podpoře vývojových a konstrukčních prací. Engineeringový simultánní proces mezi Gühringem a zákazníky zaručuje stejné výsledky s ohledem na umístění několika specializovaných závodů po celém světě. Celý výrobní proces probíhá v následující linii:

• posouzení obrobku a odstranění možných kolizí nástrojů;
• konstrukce jednotlivých nástrojů;
• výroba a zhotovení;
• montáž, event. seřízení;
• balení a expedice.
Vlastní výrobou však péče o nástroje zdaleka nekončí. V rámci služeb zákazníkům se provádí také přeostřování a renovace těchto velmi drahých nástrojů. Zákazník pošle otupené nástroje zpět nebo je přiveze svozová služba. Vstupní inspekce určí míru opotřebení a eventuální poškození a určí, jaké pracovní kroky jsou potřeba k obnovení bezvadné funkčnosti nástrojů. Na základě této vstupní kontroly je zvolena po konzultacích se zákazníkem ekonomicky optimální varianta. Buď je stávající nástroj renovován, nebo jsou dodány nástroje nové. V rámci renovací jsou silně opotřebené plátky nahrazeny novými, v případě lehkého opotřebení jsou nástroje přeostřeny. Následuje výstupní kontrola a zpětné dodání zákazníkům.

Již v úvodu bylo řečeno, že v letošním roce byla také spuštěna výroba a renovace těchto exkluzivních PKD a CBN nástrojů v České republice v závodě Sulkov u Plzně. Díky identickému strojnímu a měřicímu zařízení jako v ostatních závodech koncernu, kde se PKD a CBN nástroje zhotovují, a na základě celosvětových zkušeností včetně rozsáhlé databáze konstrukčních linií a postupů, je i v tomto případě zaručena nejvyšší výsledná kvalita. Kompetentní pracovníci jsou vysoce kvalifikovaní a s velkou motivací pomoci uživatelům v maximální možné míře zefektivnit jejich výrobu.

Dr.-Ing. František Plánička
Gühring
MSV 2012, pavilon F, stánek 024
frantisek.planicka@guehring.de
//www.guehring.cz