Odborně-vzdělávací a zpravodajský portál z oblasti strojírenství a navazujících oborů
Články >> Příručka pro technology - Opotřebení se nevyhneme!
Chcete dostávat MM Průmyslové spektrum ZDARMA až do Vaší schránky? Více informací zde.

Příručka pro technology - Opotřebení se nevyhneme!

V předchozích článcích již byly zmíněny jevy, které ovlivňují řezné nástroje v procesu obrábění. Tribologické vlivy (kdy se třísky smýkají a klouzají přes plochu čela), mechanické vlivy (řezné síly) i chemické/tepelné agresivní vlivy (z důvodu vysokých řezných teplot) způsobují, že je životnost nástroje omezena (přičemž životností nástroje rozumíme dobu, po kterou nástroj funguje správně - než je třeba jej vyměnit za nový).

Vzhledem k výše uvedeným důvodům je tedy opotřebení nástroje zcela normální fyzikální jev, není tedy zapotřebí plýtvat časem a penězi s cílem opotřebení zabránit – je to nemožné. Je však nutné sledovat správnou cestu. Opotřebení ostří totiž musí být bezpečné, kontrolovatelné a předvídatelné.


Obr. 1. Opotřebovaná řezná hrana
V souladu se zmíněnými definicemi opotřebení (bezpečné, kontrolovatelné a předvídatelné) jsou tedy přípustné následující případy: otěr na hřbetu, výmol na čele, vrub na ostří a plastická deformace. Všem ostatním projevům opotřebení je třeba se vyhnout, neboť právě ony vedou k nepředvídatelnému chování nástroje. V následujícím textu jsou popsány různé druhy opotřebení a možné způsoby, jak je ovlivnit či zamezit jejich příliš rychlému nástupu.


Obr. 2. Opotřebení nástroje

Otěr na hřbetu

Otěr na hřbetu je žádoucí, protože je předvídatelný a kontrolovatelný. Rychlé opotřebení hřbetu se projevuje stejně, dochází však k němu v podstatně kratším čase (což nelze z hlediska životnosti nástroje akceptovat). Hlavní příčinou vzniku opotřebení na hřbetu je abraze. Tvrdé mikroskopické vměstky karbidu či zakalených částic materiálu obrobku, jakož i odlupující se mikročástice povlaku nástroje, se zasekávají do jeho ostří. Kobalt opouští základní strukturu, karbidová zrna ztrácejí původní adhezi a vylamují se. Opotřebení hřbetu se projevuje jako relativně stejnoměrné obroušení ostří po celé jeho využité délce. Občas může kov obrobku, který ulpívá na ostří, opticky zvětšovat oblast opotřebení. U břitových destiček Duratomic bude opotřebovaný hřbet černé barvy s hladkým povrchem, u běžně povlakovaných destiček bude opotřebená plocha lesklá. Černá barva opotřebeného povrchu je způsobena základní spodní vrstvou povlaku vystupující přes setřenou svrchní vrstvu. Otěr na hřbetu se projevuje ve všech materiálech, použitelnost každé destičky skončí na tomto typu opotřebení, neprojeví-li se žádný z ostatních typů dříve.



Obr. 3. Opotřebení nástroje – otěr na hřbetu

Mezi možná opatření (projeví-li se otěr na hřbetu příliš rychle) patří: snížení řezné rychlosti, zvýšení posuvu, zvolení otěruvzdornější či tvrdší povlakované třídy karbidu a použití účinnějšího chlazení.

Možná opatření: (projeví-li se otěr na hřbetu příliš rychle)
- Snížit řeznou rychlost.
- Zvýšit posuv.
- Zvolit otěruvzdornější či tvrdší povlakovanou třídu karbid.
- Použít účinnější chlazení.

Výmol na čele

Kombinace difuze, porušení struktury a abrazivního opotřebení způsobuje vznik výmolů. Teplo z odebíraných třísek uvolňuje zrna karbidu wolframu ze základní struktury substrátu destičky a uhlík se pojí na materiál třísky (difuze), což způsobuje vznik výmolu na horní části destičky. Může vzniknout i tak velký výmol, že způsobí vydrolování či příliš rychlý otěr na ostří nástroje. Opotřebení typu výmolu na čele se projevuje jako jamka na vrchní části destičky. V počáteční fázi vzniku výmolu může paradoxně dojít ke zlepšení utváření třísek. Projevuje se zejména u ocelí, slitin na bázi titanu a u abrazivních materiálů.


Obr. 4. Opotřebení nástroje – výmol na čele

Možná opatření jsou:

• Použít břitové destičky povlakované technologií Duratomic. Povlaky se silnou vrstvou oxidů hliníku jsou nejvhodnější. TiAIN je PVD povlak s největší odolností vůči vymílání.
• Použít chlazení.
• Zvolit lehce řezající geometrii pro omezení vzniku tepla.
• Snížit řeznou rychlost a posuv.
• Snížení úhlu nastavení ostří má pouze malý, avšak pozitivní efekt.


Obr. 5. Opotřebení nástroje – nárůstek

Tvoření nárůstku – Build up edge (BUE)


Hlavním důvodem vzniku tohoto typu opotřebení je adheze materiálu. Nárůstek se na břitu tvoří zejména působením vysokého tlaku. Nejvíce vzniká tam, kde je zvýšená chemická afinita, vysoký tlak a dostatečná teplota v zóně řezu. Následně pak dochází k odlomení nárůstku, který s sebou unáší i částice materiálu břitové destičky, což má za následek vyštipování ostří a rychlejší opotřebení hřbetu.

Na co se zaměřit? Sledovat ulpívání materiálu obrobku na čelní či hřbetové části ostří destičky. Dochází ke zhoršení rozměrové přesnosti a kvality povrchu obrobku. Nárůstek se tvoří zejména u měkkých materiálů, neželezných kovů, vysokoteplotních slitin a nerezové oceli. Projevuje se především při nízkých řezných rychlostech, zejména u závitování, frézovacích a vrtacích operací.

Možná opatření:

• Tvorbu nárůstků eliminovat použitím jakéhokoliv povlaku na břitové destičce.
• Zvýšit řeznou rychlost a/nebo posuv.
• Zvolit destičku s ostřejší řeznou geometrií a hladší (leštěnou) plochou čela.
• Použít vhodné chlazení, případně zvýšit koncentraci chladicí emulze.

Vyštipování břitu

Vyštipování břitu způsobuje mechanická nestabilita, a to především vibrace obrobku, nástroje nebo vřetena stroje. Tvrdé vměstky na povrchu obráběného materiálu a přerušovaný řez mají za následek lokální koncentraci napětí způsobující vyštipování břitu. Vyštipování břitu se projevuje jako částečky materiálu vyštípnuté z řezné hrany břitové destičky, často v nedostatečně tuhých soustavách (špatná uložení, opotřebovaná vřetena atd.) a během obrábění materiálu s tvrdými částicemi a v materiálech z práškových kovů.


Obr. 6. Opotřebení nástroje – vyštipování břitu

Možná opatření:

• Zajistit co nejvyšší tuhost soustavy stroj-nástroj a minimalizovat ohýbání řezných nástrojů.
• Zvolit houževnatější třídu řezného materiálu.
• Zvolit pevnější geometrii ostří.
• Snížit posuv (zejména na vstupu a výstupu řezu), nebo také zvýšit řeznou rychlost.

Plastická deformace

Hlavním důvodem vzniku plastické deformace je tepelné přetížení. Vysoká teplota, stejně jako mechanické přetížení, způsobuje měknutí pojiva (kobaltu). Tlak na destičku deformuje ostří a špičku, může také dojít k odlomení špičky nebo k rychlému opotřebení hřbetu. Plastická deformace se projevuje deformací ostří, přičemž může dojít ke změnám rozměrů obrobku. Toto opotřebení lze s velkou pravděpodobností očekávat u operací prováděných za vysokých teplot – při vysoké řezné rychlosti, při dlouhých dobách v řezu či v operacích s vysokou řeznou rychlostí spojenou s vysokými posuvy. Vyskytuje se při obrábění kalených ocelí nebo materiálů s deformačně zpevněným povrchem a u vysokoteplotních slitin.


Obr. 7. Opotřebení nástroje – plastická deformace

Možná opatření:

• Použít účinné chlazení, snížit řeznou rychlost a posuv.
• Zvolit destičku s větším rádiusem špičky.
• Použít tvrdší a otěruvzdornější třídu řezného materiálu.
• Pozitivní efekt může mít použití lehčeji řezající geometrie


Vrub na ostří

Vrub na ostří vzniká tím, že povrch obrobku je tvrdší nebo abrazivnější než materiál v jádře, např. předchozími řezy deformačně zpevněná povrchová vrstva či materiály s tvrdou povrchovou vrstvou, jako jsou výkovky nebo odlitky. Tím dochází k mnohem rychlejšímu opotřebování v oblasti obrábění této vrstvy. Vzniku vrubu přispívá i místní koncentrace zatížení. Při tlakovém namáhání břitu a zároveň odlehčení na čelní ploše ostří je tento namáhán zejména v místě odpovídajícím hloubce řezu ap. Vrub na ostří může také vzniknout inkluzí tvrdých mikročástic obrobku nebo drobnými nepravidelnostmi řezu. Vruby se projevují u materiálů s tvrdou povrchovou vrstvou, jako jsou odlitky či výkovky, nebo u oxidovaných vrstev a materiálů s deformačním zpevněním (nerezové oceli, vysokoteplotní slitiny, slitiny titanu).


Obr. 8. Opotřebení nástroje – vrub na ostří

Možná opatření:

• Snížit posuv a měnit hloubku řezu při vícenásobných úběrech.
• Zvýšit řeznou rychlost při obrábění vysokoteplotních slitin (což však způsobí větší otěr na hřbetu).
• Použít houževnatější třídu řezného materiálu.
• Zvolit řeznou geometrii určenou pro vysoké posuvy.
• Zabránit tvorbě nárůstku, zejména u obrábění v nerezových ocelích a vysokoteplotních slitinách.
• Snížit úhel nastavení ostří.

Tepelné hřebenové trhliny

Tepelné hřebenové trhliny vznikají kombinací tepelných cyklů (velmi rychlé změny teploty ostří), tepelného zatížení (rozdíly v teplotách mezi teplými a chladnými zónami) a mechanického zatížení. Trhliny se tvoří podél celého břitu, může také dojít k vylomení částic karbidu a následnému vyštipování břitu. Tepelné trhliny vznikají nejčastěji při frézování a přerušovaném soustružení a projevují se vznikem několika trhlin kolmých k ostří. Je důležité rozpoznat tepelné trhliny předtím, než opotřebení způsobí vydrolování břitu. Vznik tohoto opotřebení lze nejčastěji předpokládat při frézovacích operacích a operacích čelního soustružení. Často se také projevuje u operací s nepravidelným přívodem chlazení.


Obr. 9. Opotřebení – tepelné hřebenové trhliny

Možná opatření:

Použít účinnější chlazení a houževnatější třídu řezného materiálu. Snížit posuv a řeznou rychlost. Zvolit lehce řezající geometrii pro omezení vzniku tepla nebo zvolit jinou metodu obrábění (poměr času v řezu/mimo řez).

Možná opatření:

- Použít účinnější chlazení.
- Použít houževnatější třídu řezného materiálu.
- Snížit posuv a řeznou rychlost.
- Zvolit lehce řezající geometrii pro omezení vzniku tepla.
- Zvolit jinou metodu obrábění (poměr času v řezu/mimo řez).


Vylomení destičky

Vylomení destičky je způsobeno nadměrným opotřebením jakéhokoliv výše jmenovaného typu nebo mechanickým přetížením – při velkém mechanickém zatížení dojde k vylomení destičky během prvních okamžiků řezu.


Obr. 10. Opotřebení nástroje – vylomení destičky

Možná opatření:

• Snížit posuv a hloubku řezu.
• Zkontrolovat tuhost soustavy.
• Zvolit houževnatější třídu řezného materiálu, destičku s pevnějším typem ostří, řeznou geometrii určenou pro vyšší posuvy anebo zvolit silnější břitovou destičku (co do tloušťky).
• V neposlední řadě ověřit, zda obrobek nemá tvrdé vměstky či ztížený vstup do řezu.

Vylamování ostří

Vylamování ostří se neobjevuje příliš často a je snadno zaměnitelné se vznikem vrubu na ostří. Je způsobeno třískou, která se kroutí tak, že zasáhne nevyužívanou část ostří. Projevuje se vylomením ostří či jeho části, která není v řezu. Toto poškození může nastat kdykoliv, nejčastěji však v operacích s kombinací vysokých posuvů a velkých hloubek řezu.


Obr. 11. Opotřebení nástroje – vylamování ostří (od příliš krátkých třísek)

Možná opatření:

• Změnit posuv nebo hloubku řezu.
• Zvolit jiný úhel nastavení ostří nebo jinou geometrii utvařeče třísek.
• Použít houževnatější třídu řezného materiálu.
Obzvláště důležité jsou zejména poslední dva aspekty.


Obr. 12. Jak velké opotřebení je ještě přípustné? Co je bezpečné opotřebení?


Otěr na hřbetu a výmol na čele jsou těmi nejlepšími z možných opotřebení. Ale ve které fázi je už opotřebení rizikové? To je velmi složitá otázka. Připuštěním většího opotřebení na hřbetu nebo vymílání na čele se z celkového hlediska snižují náklady na nástroj, neboť se tím prodlužuje životnost nástroje. Na druhou stranu se ale zvyšuje riziko vylomení ostří, což samozřejmě snižuje bezpečnost procesu a z důvodu takto poškozené břitové destičky hrozí zastavení operace. Všechny výše uvedené typy opotřebení jsou popsány v „systému nápravných opatření“. V případě jakéhokoliv projevu pak víme, jak vhodně reagovat. Praktičtější přístup je uveden na posledním obrázku. Pokud se nějaký problém objevuje častěji, pokoušíme se jej vyřešit úpravou řezných podmínek. Na obrázku je znázorněn vliv změny řezné rychlosti a posuvu.


Obr. 13. Řešení problému

Nyní již jen posledních pár slov k otázce opotřebení nástroje. Existuje mnoho praktických náznaků opotřebení, jako je vyšší spotřeba energie, zhoršení rozměrových vlastností obrobku, zhoršení kvality povrchu, otřepy, větší vznik tepla, vyštipování břitu, špatné šíření tepla, špatné utváření třísky, vyšší hladina hluku během obrábění, vibrace. Ale přesto se nesmí zapomínat pečlivě sledovat stav ostří a naslouchat chodu svého nástroje – hodně napoví.

Podrobné informace k této problematice lze získat také v rámci vzdělávacího programu STEP (Seco Technical Educational Programm).

Patrick De Vos, MSc.
Seco Tools CZ

dana.benesova@mmspektrum.com

//www.secotools.com/cz

 

Další články

Výzkum/ vývoj
Nástroje pro obrábění / řezné materiály

Komentáře

Nebyly nalezeny žádné příspěvky

Sledujte nás na sociálních sítích: