Témata
Reklama

Povlaky, povlaky… bez nich to už prostě nepůjde!

V technologických procesech, které zahrnují zejména soustružení, frézování, frézování odvalováním, vrtání, řezání závitů, ale také operace dělení materiálů a stříhání, dochází k vysokým kontaktním tlakům, střižným napětím a působení vysokých teplot na rozhraní břit-obrobek-tříska. Moderní nástroje tyto podmínky dnes dokážou vydržet, dokonce i bez aplikací procesních kapalin a navíc i při vysokorychlostním obrábění zušlechtěných materiálů. Základní podmínkou je účinná ochrana funkčních ploch břitů pomocí tzv. povlaků.

Odhaduje se, že v současné době je více než 90 % nástrojů ze slinutých karbidů povlakovaných třemi základními druhy povlakování ‒ CVD, MTCVD a PVD. Tyto povlaky jsou zpravidla vícevrstvé, u PVD procesů mnohovrstvé až nanostrukturní. Povlaky jsou velmi tenké vrstvy pro řezné a tvářecí aplikace velmi tvrdých a otěruvzdorných materiálů (zpravidla několik mikrometrů), obr. 1.

Reklama
Reklama
Obr. 1 Detail povlakovaného břitu frézy.

Základními motivacemi pro aplikace povlaků jsou v závislosti na technologii zejména snahy o vyšší produktivitu, nižší výrobní náklady, lepší kvalitu opracování, vyšší přesnost výroby a její stabilitu a soudobý tlak na ekologické a environmentální aspekty, tzv. „zelenou“ výrobu.

Povlak není všechno

Na povlaky však nelze pohlížet jako na zázračný všelék, protože mnohdy bývají poslední výrobní operací při výrobě nástrojů. Základními prerekvizitami jejich úspěšných aplikací jsou vhodný design nástroje, jeho geometrie (určující rozklad silového namáhání), druh řezného materiálu, jeho upnutí a technologické podmínky využívání. Zvláště důležitou roli sehrává výbrus nástroje, který vytváří nejen základní kotvicí podloží pro povlak, ale také může degradovat jak geometrii břitu (plastickým přehrnutím břitu, zanecháním ostřin, vylamováním špiček břitů), tak mechanické vlastnosti řezného materiálu (popuštěním, oxidací). Na druhé straně lze například přebroušením povlakovaného vrtáku znovuobnovit jeho vrtací schopnosti a někdy účinkem menšího poloměru ostří i jeho lepší vrtací vlastnosti, zvláště na počátku jeho používání. S rostoucím opotřebením břitů a chybějícím povlakem na hřbetech má takovýto vrták obvykle vyšší tendenci k zadírání, případně zlomení, ale i tak dosahuje lepších řezných parametrů, než vrták zcela nepovlakovaný.

Přechodová plocha nástroje

Na řezný nástroj se pohlíží často jako na klínovitý nosník, schopný přenosu normálného a smykového zatížení. To obecně platí u rovinných částí čelních ploch a podobně na hřbetních plochách břitů, ale na každém nástroji se nachází přechodová plocha, která může mít celou řadu provedení – zaoblení, sražení nebo i poměrně složitý obecný tvar, podobný například elipsoidu. Tato zdánlivě zanedbatelná část nástroje však může mít doslova fatální účinek na řezivostní vlastnosti. Je to dáno tím, že čáry maximálních smykových napětí vytvářejí vějířovité pole s logaritmickými průběhy, které se stáčí úměrně tomuto zakřivení. Nástroj tak má možnost nejen vyvinutí výrazně tlakového namáhání v obráběném materiálu na jeho špici, ale i určité „osahávání si“ různých skluzových systémů krystalických mřížek a dislokačních struktur jednotlivých zrn materiálu smykovou napjatostí. Tímto způsobem si hledá vhodný skluzový systém a deformace pak probíhá zákonem minimálně vynaložené energie, jak výborně vystihl již Mylon Eugén Merchant v roce 1947.

Obr. 2 Šíření trhlin v řezné destičce po ztrátě povlaků.
Obr. 3 Šíření trhlin v rotačním tvářecím nástroji po ztrátě povlaků.

Příroda je však spravedlivá a podle Newtonova zákona o akci a reakci je stejným způsobem zatěžován i řezný nástroj, na kterém bývají aplikovány právě ochranné ‒ otěruvzdorné ‒ povlaky. Tyto povlaky mohou za ideálních podmínek nástroj chránit nejen proti účinku normálných a smykových složek, ale zejména proti účinkům tepla jako vynikající teplotní štít - obr. 2,3. Několik mikrometrů dokonalého izolantu bez kovového pojiva silně zredukuje tepelný tok přes toto rozhraní tak, že se podkladový materiál sotva prohřeje. Na druhé straně povlaku se díky tření a uvolněnému teplu z anihilace dislokací při adiabatických podmínkách deformace blíží teplota obráběného materiálu jeho teplotě tavení. To může být dále umocněno exotermickou reakcí kovů s kyslíkovou atmosférou v místě řezu, která však může povlaky poškodit.

Jsou povlaky vůbec celistvé a rovnoměrné?

Toto kritérium nešlo dříve z hlediska fyzikální podstaty vůbec zaručit, neboť krystalizace látek na ostrých hranách je velmi odlišná od průběhů na rovinných vzorcích. Mimo uniformní průběh se tak mohou na ostří vytvořit zbytnělé útvary (tzv. anténní efekt) nebo naopak se povlak při chladnutí může smrštit podél hřbetních a čelních ploch a ostří může zůstat prakticky obnažené. Toto se však dnes řeší zcela spolehlivě tzv. předúpravou břitu, která zaručí téměř ideální pokrytí tohoto exponovaného místa i přilehlých povrchů. Povlakováním se vytvoří účinná překážka proti difuzi atomů uhlíku z karbidických fází do třísky, která vytváří podle Fickových zákonů nenasycené rozhraní s chemicky dostatečně silným potenciálem, podporovaném vysokými teplotami obrábění, takže zde může dojít i k disociaci a uvolnění i těžších prvků z nástroje.

Kéž by byly obráběné materiály prosty vměstků … Ale kdo by chtěl nosníky s póry, bublinami a dalšími defekty? Laciná a účinná dezoxidace materiály např. na bázi hliníku či křemíku zbaví taveninu těchto nehomogenit, ale pro obrábění se používají obvyklé materiály s vměstky, u kterých je analogie s trojským koněm zcela namístě. Tyto fáze jsou velmi jemné, často ostrohranné, dokonale zakotvené v okolní matrici, a když se jim podaří protnout cykloidní dráhu řezného břitu, jsou mnohdy úspěšnějšími bojovníky ve srovnání s nevhodně orientovanou řeznou částicí či kovovým pojivem nástroje. Problém se může nacházet i ve vlastním řezném materiálu, zvláště u spékaných polotovarů, ale ty jsou dnes u řezných materiálů dominantní, včetně rychlořezných ocelí. Často uvolněná karbidická částice WC se díky své ostrohrannosti hexagonálního krystalického původu moc kutálet neumí, zato se dokáže zaseknout mezi břit a obráběný materiál a stává se z ní naopak brusná nebo lapující částice, která může poškodit řezný nástroj a někdy i obrobek nebo výlisek.

Záchrana opět spočívá v povlacích

Jsou jemné, velmi jemné a velmi tvrdé. Netvoří zrna v pravém slova smyslu, tvoří se z atomárních částic. Těch dále nedělitelných, jak je chápal Epikúros. Mohou držet spolu silou vpravdě lví, neboť se přitahují k povrchu nástrojů v povlakovací komoře takovou silou, že se při svém příletu doslova přibijí k těmto dopadovým místům, takže není potřeba žádné pojivo. Tuto kinetickou energii dále transformují na tlakové předpětí, které zvýší jejich odolnost proti tahovým složkám mechanickým i termickým. Za určitých podmínek vykrystalizují do kolumnárních struktur, které pak tlakem téměř nelze rozdrtit. Navážou se na pokladový materiál a směrem k povrchu lze řízenou stechiometrií navýšit jejich tvrdost a odolnost proti abrazi. Před případným nebezpečím je lze dále ochránit kluznými povrchy, které sníží abrazivní účinek interagujících fází a fungují pak lépe při záběhu nástrojů.

Posledním výrazným mechanismem opotřebení, kde povlaky pomáhají, je zabránění tvorbě nárůstků, tzn. adheznímu ulpívání částic obráběného materiálu na břit. To se vyskytuje zvláště u materiálů se zaručenou svařitelností. A opět povlaky tento mechanismus redukují ‒ jsou totiž nesvařitelné, nevytvářejí potřebná váznoucí místa při odvodu třísky. Povlaky pak pomáhají dodržovat výrobní tolerance, kvalitu povrchu i dostatečnou trvanlivost břitů – obr. 4,5.

Obr. 4 Téměř ideálně chráněná břitová destička - povlaky chránily břit po celou dobu trvanlivosti
Obr. 5 Podobná situace – povlaky zabránily opotřebení soustružnické destičky (otěr břitu probíhal pouze v povlacích)

To všechno dobrodružství poznání se odehrává v prostoru tak malém, že jej pouhým okem prakticky neuvidíme. Nejsou to však povlaky pro okrasu, které mění barvy podle módy, ale vrstvy odrážející znalosti mnoha vědních disciplín, aplikovaných na ostří břitu, v extrémních podmínkách zatížení. V každém případě udržují konkurenceschopnost dnešních podniků.

Poděkování

Výsledky této publikace byly získány v rámci NETME Centre Plus (LO1202) a finančního přispění Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy v účelové podpoře programu „Národní program udržitelnosti I."

Autor: Prof. Ing. Miroslav Píška, CSc.

Firma: ÚST FSI VUT v Brně

piska@fme.vutbr.cz

Reklama
Vydání #1,2
Kód článku: 150123
Datum: 11. 02. 2015
Rubrika: Výroba / Povrchové úpravy
Autor:
Související články
Čtrnáctý ročník soutěže Ocenění českých podnikatelek úspěšně odstartován

Ve čtvrtek 3. června 2021 byl zahájen další ročník prestižní soutěže Ocenění českých podnikatelek, který odstartovala online konference Women in Business s podtitulem Nová realita roku 2021 a společný (re)start, most k jednotě a spolupráci. Tuto soutěž již tradičně vyhlašuje podnikatelská platforma Helas – Budujeme hrdé Česko. Patronkou letošního ročníku je Kateřina Kadlecová, generální ředitelka společnosti USSPA. 

Třpytivý svět krystalů

Turnovská společnost Crytur patří svým pojetím ke světovému unikátu. V přesně definovaných podmínkách pěstuje umělé krystaly z vlastního výzkumu a vývoje, které následně po opracování dodává buď jako specifické optické díly pro další celky, nebo přímo kompletní výrobky.

Implantáty z Čech až na konec světa

V 70. letech minulého století stál u zrodu prvních ortopedických implantátů v Čechách. V roce 1992 pak v rámci privatizace založil vlastní firmu téhož zaměření, jejíž výrobky dodnes pomáhají lidem znovu se hýbat. Ano, hovoříme o Stanislavu Beznoskovi a české firmě téhož jména, kterou dnes úspěšně řídí členové rodiny zakladatele.

Související články
MM Podcast: Glosa - Když se země otřásají v základech

Krize vyvolaná pandemií koronaviru v řadě oborů působí jako urychlovač trendů patrných před jejím vypuknutím. Mnoho odvětví si prochází zásadní strukturální transformací, ale část z nich – které se stát snaží podpůrnými prostředky za každou cenu stále držet nad vodou, zanikne. 

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Vývoj UHT nástrojů
v plném proudu krizi navzdory

Hlavním motivem založení VaV centra Rotana byla připravenost na nové trendy v automobilovém a leteckém průmyslu a výroba vlastních produktů s vysokou přidanou hodnotou – konkrétně ultratvrdých (UHT) nástrojů pro speciální aplikace. Centrum je vybaveno nejmodernějšími technologiemi a stále se rozrůstá. Na kontě má několik úspěšně zakončených projektů v podobě prototypových nástrojů a užitných vzorů. O tom, na jakých projektech v centru pracují nyní a jaké mají plány do budoucna, jsme si povídali se třemi hlavními osobnostmi celého projektu vývoje a výroby UHT nástrojů.

Odměřovací pravítka, lanovka a Ferrari

Odměřovací pravítko je jednou z klíčových komponent obráběcího stroje. Zpravidla je ukryto hluboko uvnitř stroje a většina uživatelů obráběcích strojů jej nikdy na vlastní oči neviděla. Přesto jsou na ně kladeny velmi vysoké nároky. Musejí pracovat spolehlivě po dobu mnoha let, zaručovat očekávanou přesnost a rozlišení, a musejí být odolná proti znečištění, pronikání kapalin, prachu i třískám a proti spoustě dalších faktorů. A kdyby se náhodou něco pokazilo, musejí být snadno vyměnitelná.

Názorové fórum odborníků

V tomto vydání MM Průmyslového spektra se věnujeme mimo jiné tématu obráběcích strojů. Proto jsme s anketní otázkou oslovili zástupce výrobců a dovozců v této komoditě.
Čas jsou peníze. Každá minuta prostoje výrobního zařízení je nežádoucí, proto se dnes vedle vysoké produktivity u strojů očekává také jejich vysoká spolehlivost.

Stroje v pohybu – Sledování zásilek na dálku

Takzvaný internet věcí (IoT) nabízí mnoho možností. Základem této technologie je bezdrátová komunikace velkého počtu autonomních zařízení prostřednictvím datových sítí, jež jsou navrženy tak, aby datový přenos spotřeboval co nejméně energie. Toho využívají i moderní sledovací jednotky (lokátory), které mohou díky energetické úspornosti pracovat i několik let bez dobíjení baterií.

Fórum výrobních průmyslníků

Jakým způsobem se po 15 měsících od vypuknutí pandemie koronaviru tento stav projevuje ve vaší společnosti – jak z pohledu objemu zakázek, jejich realizace a ekonomiky jako takové (např. vlivem navýšení cen vstupních materiálů, nedostatku některých komponent)? Dokážete predikovat, jak se bude situace ve vaší komoditě vyvíjet ve druhé polovině roku, na čem bude záviset?

Fórum děkanů strojních fakult

Jak současná doba ovlivňuje realizaci smluvního výzkumu na již hotových projektech, resp. při akvizici nových? Zaznamenáváte aktuálně pokles zájmu firem o spolupráci?

Semináře nově s high-tech technologiemi

Školicí a tréninkové centrum společnosti Ceratizit ve Velkém Meziříčí prošlo v loňském roce rozsáhlou modernizací. Nové Technické centrum i technologie v něm bohužel kvůli pandemii covid-19 nemělo možnost navštívit mnoho zákazníků. Všichni pevně věříme, že se to brzy změní. Než se tomu tak stane, požádali jsme Jana Gryče, technického ředitele společnosti Ceratizit, aby nám představil, co je v centru nového a na co se mohou zákazníci těšit. Při té příležitosti jsme oslovili také Pavla Němečka, obchodně-technického zástupce společnosti Hermle, aby pohovořil o pětiosém stroji C 32 U, které je v centru nové.

Švédové jsou féroví a přímí obchodníci

Celosvětová pandemie covid-19 mění světa vytváří nové příležitosti a výzvy pro exportně orientované firmy. Zahraniční kanceláře CzechTrade registrují příležitosti v daných destinacích a vytvářejí partnerství českým výrobním společnostem a jsou jim nápomocni při vstupu na trh a upevnění jejich pozice.

Digitalizace: klíč k úspěchu

Již od roku 1919 zkoumá, vyvíjí a vyrábí zabezpečovací techniku společnost EVVA - rodinná firma se sídlem ve Vídni. To, že se nyní, přibližně o 100 let později, stala průkopníkem propojené výroby, je zásluhou její jasné strategie s důrazem na digitalizaci. Důležitým milníkem nové výrobní filozofie společnosti EVVA je soustružnické a frézovací centrum Hyperturn 65 Powermill v kombinaci se síťovým řídicím rozhraním Emconnect. S flexibilním výrobním systémem od společnosti Emco lze nyní kompletně automatizovat obrábění mosazných dílů v kusové výrobě i výrobě středních sérií.

MSV ve znamení obrábění

Všichni, kdo máme něco společného se strojírenstvím, pevně věříme, že se v letošním roce opět otevřou brány brněnského výstaviště pro meku strojařů z celého světa – Mezinárodní strojírenský veletrh. Na MSV se letos, kromě lidí z dalších oborů, setkají i výrobci vynikajících obráběcích strojů. Proto jsme se na postřehy a názory tentokrát zeptali Petra Odehnala z obchodního oddělení společnosti Pilart stroje.

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