Témata
Zdroj: RCMT

Pokročilé testování
moderních povlaků pro obráběcí nástroje

Tenká vrstva materiálu nanesená na řezné části obráběcího nástroje, tzv. ochranný povlak, významně ovlivňuje vlastnosti a funkci celého nástroje. Účinky takové tenké vrstvy spočívají především v ochraně břitu před působením degradačních procesů vlivem tepla, adheze, abraze, oxidace a dalších jevů. Ochranná funkce je důležitá, neboť průběhem a intenzitou uvedených jevů je přímo ovlivněna intenzita opotřebení břitu a nepřímo pak silové zatížení při obrábění, tvorba nárůstku, kvalita obrobeného povrchu, a tvarová a rozměrová přesnost dílce.

Petr Mašek

Inženýrskou diplomovou práci obhájil v oboru Výrobní inženýrství a doktorskou diplomovou práci v oboru Strojírenská technologie na Fakultě strojní ČVUT v Praze. Od roku 2011, posledního ročníku magisterského studia, pracuje ve Výzkumném centru pro strojírenskou výrobní techniku a technologii (RCMT), kde je součástí skupiny technologie a specializuje se na experimentální metody obrábění a technologii obrábění.

Pavel Zeman

Odborný asistent a pedagog na Fakultě strojní ČVUT v Praze, kde získal inženýrský i doktorský titul. Od roku 2001 pracuje ve Výzkumném centrum pro strojírenskou výrobní techniku a technologii (RCMT), kde zastává pozice garanta témat výzkumu a spolupráce s průmyslem v oblasti technologie obrábění a vedoucího skupiny Technologie. Jeho odbornou specializací jsou zejména problematika obrábění těžkoobrobitelných materiálů, nové způsoby chlazení při obrábění a aplikace laserových výrobních technologií.

Reklama

Povlakované nástroje mají významný potenciál zvyšovat efektivitu, hospodárnost a kvalitu obrábění. Tento potenciál však ne vždy bývá plně využit i v důsledku nesprávného použití takových nástrojů. Pro dlouhodobě udržitelné a efektivní procesy obrábění je nezbytné určit a aplikovat takové pracovní podmínky pro nástroj, které vycházejí z poznatků o jeho skutečném chování při dané kombinaci geometrie břitu, řezného materiálu a ochranného povlaku.

Schematické znázornění metody pro měření teploty řezání přirozeným termočlánkem při soustružení. (Zdroj: RCMT)

Potřeba testování povlakovaných nástrojů

Chování nástrojů, a tedy i těch povlakovaných, je obtížné při obrábění za konkrétních podmínek přesněji predikovat nebo simulovat. Platí to i v případech, že jsou známy základní charakteristiky vrstvy prostřednictvím laboratorních testů, a to například pro určení adheze k základnímu materiálu, tvrdosti a limitní teploty použití. Z tohoto důvodu mají zejména u nově vyvíjených vrstev své jednoznačné uplatnění řezné (obráběcí) testy pro definici elementárních vlastností povlakovaných nástrojů z hlediska jejich řezivosti. Na základě výsledků takových testů je možné stanovit aplikační oblasti a pracovní podmínky použití v technologiích pro obrábění moderních materiálů.

Reklama
Reklama

Vývojem, testováním a uplatněním nových typů ochranných vrstev obráběcích nástrojů se zabývá i projekt kolaborativního výzkumu řešený ve spolupráci dvou fakult ČVUT v Praze (Fakulty elektrotech­nické a Fakulty strojní) a výrobce nástrojů firmy Hofmeister.

Správný způsob testování obráběním

Klíčem k smysluplnému, věrohodnému a efektivnímu určení řezných vlastností povlaků je důležité zvolit správný způsob testování. Ten vychází jednak z typu testované vrstvy, jednak z výsledků výše zmíněných laboratorních testů a v neposlední řadě i z oblastí plánovaného použití nástroje s danou vrstvou. Za tímto účelem je vyvíjena vlastní metodika testování řezivosti povlakovaných nástrojů pro rychlé, ale přitom spolehlivé zmapování vlastností povlaku. Uvedený přístup v sobě kombinuje popis a způsob použití možných experimentálních metod a způsoby vyhodnocení a analýzy dat. V rámci metodiky jsou zpracovány zejména tyto metody měření při obrábění: opotřebení a trvanlivosti břitu, utváření třísky, silové jevy, teploty, vibrace a kvalita obrobku. Dle charakteru ochranné vrstvy jsou vybírány a realizovány právě takové metody a pracovní podmínky, které mapují důležité vlastnosti pro účel budoucího použití nástroje. Nedílnou součástí metodiky je i komplexní hodnocení kvality po­vlaku a řezných částí nástrojů před samotnými testy.

Nastavení testů soustružení Ti slitiny – počáteční analýza kvality nástroje a instalace experimentu na stroji. (Zdroj: RCMT)

Při řešení projektu jsou vyvíjeny a testovány tenké speciální PVD povlaky slinutých karbidů pro obrábění těžkoobrobitelných materiálů, např. titanových a niklových slitin nebo vybraných korozivzdorných ocelí, za zvýšených řezných podmínek. Vývoj je navíc veden i cestou možné modifikace těchto vrstev nebo podkladového substrátu laserem. Vyvíjené ochranné povlaky jsou testovány při obrábění za extrémních podmínek – bez procesní kapaliny a utvařeče třísek, a tedy s vysokým tepelným a silovým zatížením. Následuje zpravidla sada testů povlakovaných nástrojů opatřených v praxi funkčními variantami geometrie břitu za standardních nebo zvýšených podmínek obrábění, a to pro možnost objektivního srovnání s již existujícími řešeními povlaků. Oba přístupy testování jsou doposud vedeny jak na jedné z nejpoužívanějších titanových slitin (Ti6Al4V), tak i na etalonové oceli pro testy obráběním (C45).

Reklama

Provedené testy nových povlaků

Dosud provedené řezné zkoušky byly při řešení projektu cíleny zejména na důkladné ověření vlastností nového složení a způsobu přípravy povlaku typu AlTiN vyráběného technologií HiPIMS. Výsledky testů soustružením za extrémních i standardních podmínek opakovaně prokázaly o 13 až 27 % (v závislosti na použité řezné rychlosti) delší tr­vanlivost břitu v porovnání se srovnatelnou a komerčně úspěšně používanou variantou, a to při velmi podobném silovém zatížení a charakteru utvá­ření třísky. Z výsledků je dále patrné, že důležitý vliv na celkovou výkonnost povlakovaného nástroje má rovněž kvalita provedení povlaku a nosné geometrie břitu nástroje.

Bližší analýza výsledků testů a povlaku nástrojů v průběhu obrábění ukázala, že pro celkovou trvanlivost nástroje byla v tomto případě podstatná únosnost řezné hrany a odolnost proti opotřebení na čele břitu. Při velmi intenzivních podmínkách obrábění byly totiž první známky výrazného poškození povlaků v exponovaných místech čela břitu pozorovány již po cca pěti sekundách obrábění. I přes takto rychlou ztrátu funkčnosti povlaku v místě kontaktu se vznikající třískou byl nástroj schopný pracovat v řezu až po dobu tří minut do kritického opotřebení břitu. V případě podmínek blížících se více praktickému použití nástroje při obrábění Ti6Al4V docházelo k významnému poškození povlaku na čele po 60 sekundách obrábění, a to při dosažení trvanlivosti břitu okolo 10 minut.

Jedním z klíčů ke zvýšení funkčnosti povlakovaného nástroje proto je i prodloužení doby přítomnosti povlaku na čele břitu. To se posléze přímo odrazí v prodloužení celkové trvanlivosti nástroje při stejných pracovních podmínkách. Ukazuje se dále, že pro vybrané typy materiálů obráběných za zvýšených podmínek může mít brzké porušení povlaku na nástroji za následek vznik situace, kdy nepovlakovaný nástroj dosáhne delší trvanlivosti než nástroj povlakovaný. Další vývoj vrstev a jejich testování je věnován i tomuto fenoménu.

Příklad analýzy a hodnocení stavu a opotřebení čela břitu povlakované břitové destičky. (Zdroj: RCMT)

Závěrem

Ochranný povlak je spolu s řezným materiálem a geometrickými charakteristikami břitu důležitým prvkem obráběcího nástroje. Tato tenká vrstva materiálu významně ovlivňuje celkovou řezivost a funkčnost nástroje. Má-li být v maximální možné míře využito potenciálu nástroje pro jeho konkrétní použití, je třeba studovat jeho vlastnosti a chování povlaků prostřednictvím testů obrábění s následnou správnou interpretací získaných poznatků. Tento přístup umožňuje optimalizovat a zkvalitňovat vývoj nových řešení povlaků reagujících na zvyšování požadavků koncových uživatelů nástrojů. Zmiňovanými přístupy se zabývá i aktuálně realizovaný výzkum chování nových typů povlaků s originálními vlastnostmi při obrábění.

Předmět výzkumu byl podpořen z projektu Nové nanostruktury pro inženýrské aplikace umožněné kombinací moderních technologií a pokročilých simulací, CZ.02.1.01/0.0/0.0/16_026/0008396.

Související články
Modifikace řezných nástrojů pomocí laseru

Obrábění a úprava povrchů v mikrometrických a submikrometrických měřítkách se jeví jako jedna z klíčových výrobních technologií budoucnosti. Tato skutečnost vede k rostoucímu zájmu o vytváření struktur s cílem změnit např. tribologické či mikrofluidní vlastnosti a směřuje obecně k vyšší míře zapojení 3D laserového mikroobrábění při zpracování povrchu materiálů.
Odebírání materiálu probíhá tzv. studenou ablací pomocí ultrakrátkopulzních laserových systémů – výhodou této technologie je velká univerzálnost, protože je možné proces nastavit tak, aby vytvářel širokou škálu struktur. Navíc dochází k úběru materiálu bez jeho tepelného ovlivnění.

Hlavní trendy EMO Hannover 2017 očima výzkumníků

Hannoverský veletrh EMO je právem považován za výkladní skříň toho nejlepšího, co inovační týmy světových leaderů i jejich následovníků navrhli a v prototypech či již sériově nabízejí. Sektor výrobních strojů bývá na špici technického pokroku v oblasti strojírenství a udává směr dalším oborům, které jej následují. U nás má velkou tradici a není proto s podivem, že letos do Hannoveru zavítalo na 2 200 českých návštěvníků.

Pod dvou letech opět na EMO do Hannoveru

Od 16. do 21. září 2019 se uskuteční 22. ročník největšího světového veletrhu zpracování kovů EMO. Megaakce se koná opět v Německu, které je po Číně a USA třetím největším trhem obráběcích strojů na světě. Veletrhu se účastní téměř 2 100 vystavovatelů ze 47 zemí světa. Z České republiky se očekává účast 28 firem na ploše necelých 1 700 m2. Na minulý veletrh v roce 2017 přijelo do Hannoveru z České republiky přes 2 200 odborníků.

Související články
CIMT Peking, Část 1. Obecný pohled

V předvelikonočním týdnu se v Pekingu uskutečnil veletrh obráběcích strojů CIMT 2019. V asijském regionu se jedná o obdobu veletrhu EMO Hannover. A stejně jako EMO je velkou měrou národní výstava německé výrobní techniky, tak CIMT je převážně čínský. V tomto prvním vstupu se podíváme na letošní ročník trochu s odstupem, aniž bychom se zaměřili na konkrétní exponáty.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Technologie roku 2018

Další z řady odborných seminářů společnosti Misan v jejím sídle v Lysé nad Labem s názvem Technologie roku 2018 se uskutečnil v únoru ve spolupráci se společností Tungaloy. Hlavními tématy byly automatizace výrobních procesů, monitorování a propojování výrobních strojů a systémů a představení nových výrobních zařízení, nástrojů a technologií, které pak byly následně předvedeny v praktické části semináře při ukázkách obrábění. Bonusem na semináři byla přítomnost chairmana a CEO Okuma Europe a Okuma America Corporation Takeshiho Yamamota a senior manažera z oddělení obchodu Okuma Europe Ralfa Baumanna, kteří poskytli MM Průmyslovému spektru exkluzivní rozhovor.

Téma: technologie pro výrobu forem

Díly, součásti či výrobky, které spatřily světlo světa díky tomu, že byly vylisovány, odlity či vykovány ve formě, jsou doslova všude kolem nás. Forma je zařízení často velmi složité a komplexní a k její výrobě je potřeba řada špičkových technologií. Následující článek představuje některé z nich.

Stroje a technologie: letět ještě výš

Okolo nás pole, před námi malá obecní silnice a nápis „Business Park Holzhausen“. Nic nenaznačuje, že v tomto malém městě poblíž letiště v Linci za okamžik objevíme obrovský technologický potenciál. Společnost Peak Technology byla založena v roce 2007 Dieterem Grebnerem. Zaměřuje se na dodávky komplexních ultralehkých kompozitů na bázi karbonových vláken pro Formuli 1 či letecký průmysl.

Současný vývoj v oblasti řezných nástrojů

Vývojové trendy v segmentu obráběcích řezných nástrojů jsou navázány na progresi ve strojírenské výrobě a reagují na aktuální potřeby průmyslu. Výzkum a vývoj již dlouhodobě soustřeďuje svou pozornost na vývoj řezných materiálů, systémů povlakování, konstrukce moderních nástrojů využívajících princip minimálního mazání a chlazení MQL, koncepty inovativních upínacích soustav. V současnosti jsou rozvíjeny technologie pro inteligentní výrobu s aplikací předností Průmyslu 4.0, včetně automatizace výrobního procesu, sběru dat o zařízeních, procesech a vyráběných dílcích. Na veletrhu EMO Hannover 2019 byly společnostmi představeny chytré technologie a řešení inteligentního řízení procesu obrábění. Digitalizace a konektivita jsou nyní důležitější než kdykoliv předtím.

Od konstrukce strojů po parkovací věže

Mezi starší generací strojařů pravděpodobně není nikoho, kdo by neznal původem škodováka Josefa Bernarda z Jičína. Tento strojírenský nadšenec příští rok oslaví své sedmdesátiny. Před třiceti lety po odchodu z místního Agrostroje položil základy společnosti Vapos, která dává perspektivní práci patnácti desítkám lidí z Jičína a blízkého okolí.

Aktuální trendy v oboru obráběcích strojů

Obor obráběcích strojů prochází velkými změnami, které pravděpodobně nejsou na první pohled tak zřetelné. Požadavky na stroje se mění v důsledku postupných proměn světa okolo nás a výrobci strojů na to reagují, aby si zajistili potřebnou konkurenceschopnost.

Jsme ve stádiu Průmyslu 3.5. Ne slovy, ale činy.

Na okraji Plzně na kraji lesoparku poblíž areálu Borských polí najdete rodinnou firmu Hofmeister, kterou vede pan Václav Hofmeister. Sympatický chlapík, který neříká o svých zaměstnancích, že jsou to lidi nebo oni, ale nazývá je kolegy. Bez rozdílu.

Reflexe EMO Milano 2015

Italské výstaviště Fieramilano se první říjnový týden stalo středem pozornosti strojařů především evropské provenience. Po šesti letech, kdy vrcholila hospodářská krize, se prestižní veletrh EMO vrátil do italského průmyslového regionu s „budovatelským“ mottem: Let’s build the future. Na ploše 120 000 m2 ve dvanácti výstavních halách se prezentovalo přes 1 600 vystavovatelů, z toho na 500 tuzemských. Podle závěrečné zprávy navštívilo akci přes 155 tisíc návštěvníků (145 tis. EMO Hannover 2013), polovina ze zahraničí. (Pozn. V neděli před zahájením EMO navštívilo vedlejší Expo přes 260 tisíc návštěvníků. Z České republiky do Milána vycestovalo 2 160 strojařů (2 300 na EMO Hannover 2013). Každý z návštěvníků si domů patrně odvezl svůj osobní rekord v nachozených kilometrech po výstavišti.

Laserové mikrostrukturování

Výzkumně vývojové oddělení firmy Hofmeister již od roku 2015 systematicky buduje know-how v oblasti laserového 2D a 3D mikrostrukturování s použitím ultrakrátkých pulzních laserových zařízení. Naše laboratoř disponuje systémy o piko- a také femtosekundových délkách pulzů. Tato zařízení jsou vybavena víceosou kinematikou a dovolují zapojení speciálních optických komponent.

Závěrečné oponentní řízení CK-SVT

V dubnu 2012 byl na půdě Fakulty strojní ČVUT v Praze oficiálně zahájen osmi letý projekt Centrum kompetence - Strojírenská výrobní technika v rámci dotačního programu Technologické agentury ČR. Projekt byl úspěšně ukončen ke konci roku 2019 a v červnu 2020 proběhlo Závěrečné oponentní řízení ve firmě TOS Varnsdorf, jednoho ze spoluřešitelů.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit